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ACADEMIE DE GRENOBLE
UNIVERSITE DE SAVOIE
Département des Sciences Pour l’Ingénieur (SPI)
Laboratoire SYMME Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique
THESE
Préparée au CERN à GENEVE
Présentée à Polytech Savoie sur le site d’Annecy
pour obtenir le DIPLOME DE DOCTORAT
ETUDE ET MODELISATION DU COMPORTEMENT DU FPGA
A54SX72A D’ACTEL EN MILIEU RADIATIF ET A TEMPERATURES
CONTROLEES - APPLICATION A L’ENVIRONNEMENT DU LHC
Présentée par
Stéphane GABOURIN
(Ingénieur Polytech’Savoie)
Soutenue le 6 mars 2008 devant le Jury :
Jean GASIOT
Pierre DEPASSE
Dragoslav-Laza LAZIC
Juan CASAS-CUBILLOS
Christine GALEZ
Madjid BOUTEMEUR
Michelle PASSARD
Professeur des Universités – Montpellier II
Rapporteur
Professeur des Universités – Lyon 1
Rapporteur
Docteur en Sciences – Université de Boston
Examinateur
Docteur en Sciences physiques – CERN
Directeur scientifique
Professeur des Universités – Polytech’Savoie Examinatrice
Professeur des Universités – Polytech’Savoie Directeur de thèse
Maître de conférence – Polytech’Savoie
Co-directrice de thèse
Je tiens tout d’abord à remercier les deux rapporteurs de mon jury de thèse : Jean GASIOT pour m’avoir
aidé à prendre le jour de la soutenance comme une formalité et Pierre DEPASSE pour l’aide qu’il m’a
apporté afin d’améliorer une multitude de points dans mon rapport.
Un grand merci aussi à mes 3 directeurs de thèse, à savoir Michelle PASSARD qui est la seule à
m’avoir courageusement suivi du début à la fin. YvesTEISSEYRE, qui se souciait autant de mon bien-être
que de mon travail, et Madjid BOUTEMEUR, qui m’a assisté et motivé pour les derniers mois, qui comme
tout le monde le sais, ne sont pas les plus « cool ».
Merci à Dragoslav-Laza LAZIC d’avoir accepté de faire partie de mon jury, Christine GALEZ pour sa
gentillesse (et pour avoir été la première à m’appeler « docteur »).
Toute ma reconnaissance va à la section AT-ACR-IN du CERN, dirigée par Juan CASAS-CUBILLOS,
pour m’avoir accueilli pendant plus de 3 ans. Le CERN restant à mes yeux un lieu de travail exceptionnel,
tant par les moyens de travail dont on dispose (bien que ce soit différent d’une section à l’autre), que par les
gens que j’ai pu y rencontrer, provenant d’un peu partout sur la planète. Encore merci de m’avoir donné
cette chance.
Merci entre autres à Federico FACCIO pour le prêt de la machine à rayons X et pour m’avoir expliqué
certaines notions de physique, et Serge BROBECKER pour ses cours particuliers de VHDL.
Pour l’aide et le soutien sans faille aucune qu’il m’a prodigué (pendant mais aussi avant la thèse), je
remercie Gérard GAUTIER, et dans le prolongement l’ensemble du personnel du laboratoire de
Polytech’Savoie Annecy.
(cours plan d’experience)
Je remercie particulièrement Lucia DI-CIACCIO qui s’est démenée pour me faire rentrer au CERN en
stage et qui en a par la suite remis une couche pour me permettre d’y faire cette thèse.
Un gros petit merci à Rémi ROSSET-LANCHET et Pierre HENRIQUET qui se sont bien amusés
(j’espère!) à m’aider à finaliser mes travaux.
Un petit gros merci à Sébatien FRANZ, Vincent BOYER et Julien LOLLIEROU pour m’avoir sorti de mon
travail tous les midis.
Je n’oublie pas Equipe des amis de Narderans avec qui j’ai passé de bons mercredi détente et plus
particulièrement Michel HECHE qui m’a fait découvrir d’autres horizons. Encore merci à Yohan PRIGENT
qui m’a empêché de prendre la grosse tête.
Je remercie aussi globalement ma famille et mes amis, qui ont joué le rôle non négligeable de relativiser
l’importance d’une thèse dans la vie.
Je remercie les thésards que j’ai rencontré pendant les cours, et qui ont partagé la même expérience
que moi, en particulier Esther DELOCHE qui m’a appris qu’une thèse, c’est pas toujours en sciences (!),
Gregory SANGUINETTI et le reste de l’équipe du LAPP pour les sorties bowling.
Ainsi qu’une thésarde dont je ne connais pas le nom mais qui a été, de part ses voyages en Mongolie,
une de mes motivations à partir au Cachemire et Ladakh par la suite.
Et je sais que j’en rate, mais même s’ils ne sont pas sur le papier, ils restent dans mes pensées.
2
TABLE DES FIGURES
TABLE DES TABLEAUX
6
9
C
CH
HA
APPIITTR
REE II INTRODUCTION
11
C
CH
HA
APPIITTR
REE IIII LA TECHNOLOGIE CMOS
14
Résumé du CHAPITRE II :
II.A. PRINCIPE DU MOS
II.B. INTERET DU CMOS
II.C. PROBLEME DU CMOS
II.D. MODELISATION D’UN CIRCUIT INTEGRE (CI)
II.D.1. PREMIERE MODELISATION SOUS LABVIEW
II.D.1.a. Signaux en entrées/sorties des composants
II.D.1.b. Composants élémentaires :
II.D.1.c. Modélisation d’un registre à décalage
II.D.1.d. Test du registre à décalage
II.D.2. LES LIMITES DU MODELE
II.D.2.a. La complexité de l’architecture interne.
II.D.2.b. L’importance des oxydes
15
16
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19
20
20
20
20
23
25
27
27
29
C
CH
HA
APPIITTR
REE IIIIII EFFETS DES RADIATIONS SUR LES COMPOSANTS MOS
30
Résumé du CHAPITRE III :
III.A. LE DEPOT D’ENERGIE DANS LA MATIERE
III.A.1. NOTIONS DE DOSIMETRIE
III.A.2. INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE
III.A.2.a. L’effet photoélectrique (Figure III-4) :
III.A.2.b. L’effet Compton (Figure III-5) :
III.A.2.c. La production de paires (Figure III-6) :
III.A.2.d. La relation entre ces effets
III.A.3. EFFETS DES RADIATIONS SUR LES COMPOSANTS CMOS
III.A.4. LA RECOMBINAISON (ANNEALING) INITIALE
III.A.5. LE PIEGEAGE DES CHARGES DANS L’OXYDE
III.A.6. LE MODELE DE GUERISON
III.A.7. LES EFFETS MACROSCOPIQUES
III.A.7.a. Les effets du vieillissement
III.A.7.b. Le circuit de pompage
III.A.7.c. L’influence de la fréquence
III.B. LES EFFETS SINGULIERS (SEE)
III.B.1. DESCRIPTION GENERALE ET CARACTERISATION
III.B.2. RESULTATS DE TESTS
III.C. LES DEPLACEMENTS ATOMIQUES
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32
36
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36
36
36
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44
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46
46
49
49
3
C
CH
HA
APPIITTR
REE IIV
V L’ENVIRONNEMENT RADIATIF DU LHC
50
Résumé du CHAPITRE IV :
IV.A. GEOMETRIE DU LHC
IV.A.1. VUE GENERALE
IV.A.2. DETAIL D’UN OCTANT
IV.A.3. EXEMPLE DE DISPOSITION DES CHASSIS
IV.B. LES RADIATIONS DANS LE LHC
IV.B.1. ENVIRONNEMENT RADIATIF
IV.B.2. ESTIMATION DE LA DOSE DANS LES DS
IV.B.3. ESTIMATION DES FLUX DE PARTICULES DANS LES DS
51
52
52
53
53
55
55
55
58
C
CH
HA
APPIITTR
REE V
V CONCEPTION DU BANC DE TEST
62
Résumé du CHAPITRE V :
V.A. PROGRAMMATION DU CI
V.B. SUPPORT DU CI
V.C. BANC DE CHAUFFAGE
V.C.1. PRESENTATION
V.C.2. CARACTERISATION
V.D. CARTE ELECTRONIQUE
V.E. PRESENTATION DU BANC DE TEST
V.E.1. POUR LA VERSION FPGA4
V.E.2. POUR LA VERSION FPGA8
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67
69
69
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76
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C
CH
HA
APPIITTR
REE V
VII TESTS SOUS RAYONS X DES CI VERSION FPGA 4
80
Résumé du CHAPITRE VI :
VI.A. INTRODUCTION
VI.B. STRUCTURE DU CI
VI.C. PROGRAMME LABVIEW
VI.C.1. CADRE « FPGA »
VI.C.2. CADRE « REGULATION »
VI.C.3. CADRE « CAPTEUR »
VI.C.4. CADRE « EXCEL »
VI.D. RESULTATS DES TESTS
VI.D.1. INTRODUCTION
VI.D.2. GRAPHES
VI.E. PLANS D’EXPERIENCE
81
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85
85
85
85
86
86
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C
CH
HA
APPIITTR
REE V
VIIII TESTS SOUS RAYONS X DES CI VERSION FPGA 8
96
Résumé du CHAPITRE VII :
VII.A. INTRODUCTION
VII.B. STRUCTURE DU CI
VII.C. PROGRAMME LABVIEW
97
98
98
99
4
VII.D. RESULTATS DES TESTS
VII.D.1. INTRODUCTION
VII.D.2. GRAPHES DES 8 TESTS
VII.E. PLANS D’EXPERIENCE
VII.E.1. PLAN SUR LA DUREE DE FONCTIONNEMENT
VII.E.2. PLAN SUR L’INTERVALLE ∆T=TF-TI0+10%
VII.E.3. PLAN SUR L’INTERVALLE ∆T2=TF-TI0+10MA
VII.F. EXTRAPOLATION POUR LES DOSES DU LHC
VII.G. TEST DE VPUMP.
VII.G.1. MODE OPERATOIRE STATIQUE
VII.G.2. MODE OPERATOIRE DYNAMIQUE
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114
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C
CH
HA
APPIITTR
REE V
VIIIIII TESTS SOUS PROTONS DES CI VERSION FPGA 8
118
Résumé du CHAPITRE VIII :
VIII.A. DISPOSITIF EXPERIMENTAL
VIII.B. CALCUL DE LA DOSE EFFECTIVE.
VIII.B.1. CALCUL DIRECT
VIII.B.2. SIMULATION SUR GEANT4
VIII.B.3. ESTIMATION AVEC SRIM
VIII.B.4. INTERPRETATION DES FILMS DOSIMETRIQUES
VIII.C. RESULTATS
119
120
124
124
124
126
128
130
C
CH
HA
APPIITTR
REE IIX
X CONCLUSION
134
BIBLIOGRAPHIE
GLOSSAIRE
138
142
ANNEXE 1 : Code VHDL des FPGA version 4
FPGA 4
Registre à décalage
144
145
146
ANNEXE 2 : Code VHDL des FPGA version 8
FPGA 8
Registre à décalage avec multiplexeur
Registre à décalage
Multiplexeur
Compteur
148
149
152
154
155
155
ANNEXE 3 : Courbes de résultats pour les CI version FPGA 8 sous rayons X
158
ANNEXE 4 : Manuel d’utilisation de la bibliothèque de vi pour l’utilisation d’Excel
168
5
Figure I-1 : Disposition des châssis (crates) sous les dipôles du LHC. Les châssis contenant les cartes d’acquisition
sont disposés directement sous les dipôles........................................................................................................................11
Figure I-2 : Châssis contenant les cartes d’acquisition installé sous un dipôle (tube bleu)............................................12
Figure II-1 : Schéma en coupe d’un NMOS [1]................................................................................................................16
Figure II-2 : Conduction entre Drain et Source pour le NMOS [1] .................................................................................17
Figure II-3 : Transistor PMOS en conduction [1] ............................................................................................................17
Figure II-4 : Représentation simplifiée d’une structure CMOS [1]..................................................................................18
Figure II-5 : Etats du drain D d’un NMOS et d’un PMOS en fonction de la grille G ......................................................18
Figure II-6 : Fonctionnement d’un inverseur [1] .............................................................................................................19
Figure II-7 : Connexion des zones dopées formant le thyristor ........................................................................................19
Figure II-8 : Illustration de (a) la technologie « Bulk » et (b) la technologie « SOI » .....................................................20
Figure II-9 : Connexions du vi « NMOS » ........................................................................................................................21
Figure II-10 : Connexions du vi « PMOS » ......................................................................................................................21
Figure II-11 : Connexions du vi « Vote »..........................................................................................................................22
Figure II-12 : Utilisation du vi « Vote » entre les drains d’un NMOS et d’un PMOS ......................................................23
Figure II-13 : Schéma électrique d’une cellule dynamique (bascule D)...........................................................................23
Figure II-14 : Représentation d’une bascule D au niveau des transistors........................................................................24
Figure II-15 : Les 22 possibilités d’apparition d’un SEU (11 transistors * 2 demi périodes d’horloge) .........................24
Figure II-16 : Tableau permettant d’affecter des SEU à n’importe quel transistor, aussi bien avant qu’après le front
montant de l’horloge .........................................................................................................................................................24
Figure II-17 : Connexions du vi « Registre à décalage » .................................................................................................25
Figure II-18 : Face avant du programme de test d’un registre à décalage sous irradiations. .........................................25
Figure II-19 : les 4 combinaisons de bits sur 2 coups d’horloge......................................................................................26
Figure II-20 : Face avant du vi de test mathématique d’un registre à décalage sous radiations. ....................................26
Figure II-21 : Organisation des clusters dans un FPGA A54SX72-A [8].........................................................................27
Figure II-22 : Organisation des connexions des super clusters 1(en haut) et 2 (en bas) [8]............................................28
Figure II-23 : Organisation en couche des éléments d’interconnexion dans les FPGA A54SX72-A [8]..........................28
Figure II-24 : Piégeage des charges positives dans les « bec d’oiseau » des oxydes .......................................................29
Figure III-1 : gerbe de particules provoquée par un faisceau dans la matière ................................................................32
Figure III-2 : Sphère élémentaire de centre P et de rayon dr traversée par des rayons X ...............................................33
Figure III-3 : Inégalité entre la perte d’énergie cinétique et l’énergie absorbée dans la sphère élémentaire .................34
Figure III-4 : Effet photoélectrique [20]...........................................................................................................................36
Figure III-5 : Effet Compton [20] .....................................................................................................................................36
Figure III-6 : Production de paires [20]...........................................................................................................................36
Figure III-7 : Importance relative de l’effet photoélectrique, de la diffusion Compton et de la production de paires, en
fonction de l’énergie du photon incident [20]...................................................................................................................37
Figure III-8 : Migration des charges dans le SiO2 pour un NMOS polarisé ....................................................................38
Figure III-9 : Fraction de trous échappant à la recombinaison initiale pour différents types de radiations [22] ...........39
Figure III-10 : Les 5 types de charges présentes dans l’oxyde [21] .................................................................................40
Figure III-11 : Structure atomique du SiO2 [21]..............................................................................................................40
Figure III-12 : Mécanisme de formation d’un piège de type E’ [21]................................................................................41
Figure III-13 : Mécanisme de piégeage des trous [26].....................................................................................................41
Figure III-14 : Avancée du front pour une activation A constante [27]. φm est au point d’inflexion................................42
Figure III-15 : Tension de pompage et évolution du courant Icc en fonction de la dose totale [18] .................................45
Figure III-16 : Circuit d’isolation d’un module logique grâce à Vpump (Charge Pump) [15] ...........................................45
Figure III-17 : Différentes évolutions du courant en fonction de la fréquence et de la température [17]........................46
Figure III-18 : Passage d’une particule par le drain........................................................................................................47
6
Figure III-19 : Section efficace d’un circuit en fonction de l’énergie déposée par une particule incidente.....................48
Figure IV-1 : Schéma de principe du LHC. Les faisceaux se croisent au niveau des 4 détecteurs...................................52
Figure IV-2 : Détail des zones du LHC. LSS, DS et ARC forment l’octant.......................................................................53
Figure IV-3 : Disposition des châssis dans le Dispersion Suppressor Left 5 de CMS (DSL5) .........................................54
Figure IV-4 : Disposition des châssis dans le Dispersion Suppressor Right 5 de CMS (DSR5).......................................54
Figure IV-5 : Section transversale du tunnel utilisée pour calculer la dose sur une coupe longitudinale du tunnel [38]56
Figure IV-6 : Résultats de la simulation FLUKA de la dose émise le long d’un DS du point 5 [38] ...............................56
Figure IV-7 : Dose annuelle pour les 4 châssis du Dispersion Suppressor Left 1 (DSL1) [38] .......................................57
Figure IV-8 : Dose annuelle pour les 4 châssis du Dispersion Suppressor Right 1 (DSR1) [38].....................................57
Figure IV-9 : Dose annuelle pour les 4 châssis du Dispersion Suppressor Left 5 (DSL5) [38] .......................................58
Figure IV-10 : Dose annuelle pour les 4 châssis du Dispersion Suppressor Right 5 (DSR5) [38]...................................58
Figure IV-13 : Fluence des hadrons de plus de 20MeV le long des DS 5 [38].................................................................59
Figure IV-14 : Fluence des neutrons de plus de 100keV le long des DS 5 [38] ...............................................................59
Figure V-1 : Structure d’une cellule de type « register » dans un CI ...............................................................................64
Figure V-2 : Bascule D .....................................................................................................................................................64
Figure V-3 : Registre à décalage de 4 bits........................................................................................................................64
Figure V-4 : Configuration probabiliste d’avoir 2 SEU sur un bit avec un registre de longueur n .................................65
Figure V-5 : Probabilité que se produise un seul SEU sur un bit en fonction de P et de n ..............................................66
Figure V-6 : Parties inférieure et supérieure du support percé........................................................................................67
Figure V-7 : CI ouvert par attaque chimique prêt à être testé..........................................................................................68
Figure V-8 : Vue en coupe du banc de chauffage (réalisée avec CATIA v5r12)..............................................................69
Figure V-9 : Echangeur, ressort, poignée et contre-écrou après assemblage ..................................................................70
Figure V-10 : Evolution des écarts de température pendant le chauffage........................................................................71
Figure V-11 : Passage des variables naturelles aux variables réduites ...........................................................................72
Figure V-12 : Carte électronique (PCB) pour le CI. Le support est soudé au centre.......................................................74
Figure V-13 : Banc de chauffage fixé à la carte ...............................................................................................................75
Figure V-14 : Carte électronique avec support du FPGA ................................................................................................75
Figure V-15 : Banc de test ................................................................................................................................................76
Figure V-16 : Vue schématique du banc de test pour FPGA4 ..........................................................................................77
Figure V-17 : Vue schématique du banc de test pour FPGA8 ..........................................................................................78
Figure VI-1 : Schéma de la structure interne de FPGA 4.................................................................................................83
Figure VI-2 : Face avant du programme principal de test (version 4) .............................................................................84
Figure VI-3 : Palette de vi Excel de la version 2.0 ...........................................................................................................86
Figure VI-4 : Les 4 tests aux limites des 2 facteurs ..........................................................................................................87
Figure VI-5 : Comportement des CI (FPGA4) sous radiation ..........................................................................................88
Figure VI-6 : Point 1 : T1=35°C et D2=157rad/sec ........................................................................................................89
Figure VI-7 : Point 2 : T1=35°C et D1=15rad/sec ..........................................................................................................90
Figure VI-8 : Point 3 : T2=70°C et D1=15rad/sec ..........................................................................................................91
Figure VI-9 : Point 4 : T2=70ºC et D2=157rad/sec.........................................................................................................92
Figure VII-1 : Schéma de la structure interne de FPGA 8 ...............................................................................................99
Figure VII-2 : Face avant du programme principal de test (version 8)..........................................................................100
Figure VII-3 : Les 8 tests aux limites des 3 facteurs .......................................................................................................102
Figure VII-4 : Comportement des CI (FPGA8) sous radiation.......................................................................................104
Figure VII-5 : Paramètre tf pris en compte dans les plans d’expérience de FPGA 8 .....................................................106
Figure VII-6 : Représentation 3D de tf pour les 8 points extrêmes. Courbe bleue pour 10MHz et rouge pour 40MHz. 107
Figure VII-7 : Influence relative des 3 facteurs sur la longueur de tf .............................................................................108
Figure VII-8 : Paramètre ∆t pris en compte dans les plans d’expérience de FPGA 8 ...................................................108
Figure VII-9 : Influences relatives des trois facteurs sur la longueur de ∆t ...................................................................109
7
Figure VII-10 : Pour un même comportement du courant, ∆t40MHz < ∆t10MHz .................................................................110
Figure VII-11 : Représentation 3D de ∆t pour les 8 points extrêmes. Courbe bleue pour 10MHz et rouge pour 40MHz.
.........................................................................................................................................................................................110
Figure VII-12 : Représentation 3D de ∆t2 pour les 8 points extrêmes. Courbe bleue pour 10MHz et rouge pour 40MHz.
.........................................................................................................................................................................................111
Figure VII-13 : Influences relatives des trois facteurs sur la longueur de tf et de ∆t2 ....................................................112
Figure VII-14 : Effets du débit de dose D et de la température T sur le compotement du courant.................................112
Figure VII-15 : Représentation 3D de tf avec les points intermédiaires pour F=10MHz...............................................113
Figure VII-16 : Point 4 des tests de rayons X de FPGA8, à T=45°C, D=157rad/s, Vcc=5V..........................................114
Figure VII-17 : Test de Vpump. T=45°C, D=157rad/s, Vcc=6V ........................................................................................115
Figure VII-18 : Test de Vpump. T=45°C, D=157rad/s, Vcc=7V ........................................................................................115
Figure VII-19 : Passage de la tension d’alimentation de 5V à 6V pour tester Vpump ...................................................116
Figure VIII-1 : Carte électronique et CI en position d’irradiation sous faisceau...........................................................120
Figure VIII-2 : Vue d’ensemble du banc de test. Le faisceau arrive par la droite..........................................................121
Figure VIII-3 : Station de contrôle un étage au dessus de la salle d’irradiation............................................................122
Figure VIII-4 : L’équipe de choc à 3h du matin, après 7h de run sans café..................................................................123
Mes deux Co-thésards Charlotte Ricol et et Rémi Rosset-Lanchet. ................................................................................123
Figure VIII-5 : Ecran reportant les données du faisceau en temps réel. ........................................................................123
Figure VIII-6 : Simulation par GEANT4 de l’énergie déposée par un proton de 63 MeV sur 2cm de silicium .............125
Figure VIII-8 : Energie déposée par un proton de 63MeV sur 20 mm de Si par SRIM ..................................................127
Figure VIII-9 : Coupe transversale du FPGA, avec la description des ses couches.......................................................127
Figure VIII-10 : Energie déposée dans les différentes couches du FPGA......................................................................128
Figure VIII-11 : Schéma du montage avec les films dosimétriques ................................................................................129
Figure VIII-12 : Profil de la dose déposée dans le 1er film .............................................................................................129
Figure VIII-13 : Profil de la dose déposée dans le 2ème film ...........................................................................................130
Figure VIII-14 : Résultats des tests de protons ...............................................................................................................131
8
Tableau II-1 : Valeurs prises par le Drain d’un NMOS en fonction de sa valeur précédente, de la grille et de la source
...........................................................................................................................................................................................22
Tableau II-2 : Valeurs prises par le Drain d’un PMOS en fonction de sa valeur précédente, de la grille et de la source
...........................................................................................................................................................................................22
Tableau II-3 : Valeurs de sortie du vi de vote en fonction de ses 2 entrées In1 et In2 et de son état précédent (Sortie
prec) ..................................................................................................................................................................................23
Tableau III-1 : Comparaison des caractéristiques du Si et du SiO2 [21] .........................................................................38
Tableau V-1 : Nombres et longueurs des registres programmés dans la puce. Toutes les R-Cells sont utilisées.............67
Tableau V-2 : Tableau des écarts de température pour les valeurs extrêmes des facteurs...............................................71
Tableau V-3 : Récapitulatif des essais avec les variables naturelles (grandeurs physiques) ...........................................71
Tableau V-4 : Tableaux de calcul des effets de la moyenne, des facteurs et des interactions...........................................72
Tableau V-5 : Résultats donnés par l’équation polynômiale à partir des variables réduites indiquées dans le tableau..73
Tableau V-6 : Résultats des tests expérimentaux ..............................................................................................................73
Tableau VI-1 : Nombres et longueurs des registres dans le CI.........................................................................................82
Tableau VI-2 : Paramètres de l’irradiation pour le débit de dose faible D1....................................................................82
Tableau VI-3 : Paramètres de l’irradiation pour le débit de dose élevé D2.....................................................................83
Tableau VI-4 : Paramètres des plans d’expérience pour FPGA 4....................................................................................93
Tableau VI-5 : Dose cumulée pour les 4 tests des plans d’expérience de FPGA 4...........................................................93
Tableau VI-6 : Calcul des coefficients de l’équation des plans d’expérience pour FPGA 4 ............................................93
Tableau VII-1 : Les trois facteurs étudiés pour FPGA 8 ................................................................................................102
Tableau VII-2 : Paramètres des plans d’expérience pour FPGA 8 ................................................................................105
Tableau VII-3 : Dose cumulée pour les 8 tests du plan d’expérience de tf......................................................................106
Tableau VII-4 : Calcul des coefficients de l’équation des plans d’expérience de tf ........................................................107
Tableau VII-5 : Valeurs de ∆t pour les 8 tests du plan d’expérience..............................................................................109
Tableau VII-6 : Valeurs de ∆t2 pour les 8 tests du plan d’expérience.............................................................................111
Tableau VII-7 : Comparaison des temps de panne fonctionnelle en fonction de la tension d’alimentation Vcc. ............115
9
10
C
CH
HA
AP
PIITTR
RE
E II
INTRODUCTION
_________ ____ _________ ____ _________ ____ ______
Le futur accélérateur de particules du CERN (LHC) utilisera des aimants
supraconducteurs pour atteindre des énergies de collision de 14 TeV (14.1012 eV) dans le
centre de masse. Ces aimants fourniront des champs magnétiques très puissants (environ
10 Tesla) et nécessiteront un refroidissement à l’hélium liquide.
Les capteurs cryogéniques délivrent des signaux de faible amplitude, de l’ordre du
millivolt. Il s’agit de capteurs Cernox pour les températures, de capteurs Baumer pour les
pressions et de jauges Cryogénics pour mesurer les niveaux d’hélium dans des cuves.
Ces signaux étant faibles, ils seront conditionnés et traités localement sur le lieu de la
mesure (amplification, filtrage, calcul de moyenne,…) avant d’être exploités dans le
monitorage et l’asservissement de l’accélérateur.
Figure I-1 : Disposition des châssis (crates) sous les dipôles du LHC. Les châssis contenant les
cartes d’acquisition sont disposés directement sous les dipôles
Les opérations de filtrage et de calcul de moyenne sont effectuées numériquement par
des circuits intégrés (CI) FPGA A54SX72A d’Actel qui seront disposés sous les aimants
(Figure I-1 et Figure I-2). Ces CI sont des composants COTS (commercial-off-the-shelf),
c’est-à-dire pas spécialement conçus pour résister à des radiations. L’instrumentation
nécessitera plus de 10000 de ces FPGA dans le tunnel, et le choix de circuits rad-tol
(tolérants aux radiations) aurait induit des dépenses allant au-delà du budget alloué.
11
Ils seront pourtant soumis à différentes radiations, suivant leur position dans le tunnel.
Selon leur environnement immédiat, ils baigneront dans différentes températures
ambiantes.
Figure I-2 : Châssis contenant les cartes d’acquisition installé sous un dipôle (tube bleu)
Le travail initial de ma thèse consiste à irradier ces CI à différentes températures
parfaitement définies et contrôlées afin de modéliser les effets de la température d’une
part, et des radiations d’autre part, sur le courant de consommation et sur le taux
d’apparition d’erreurs logiques. Une erreur logique consiste à détecter un état opposé,
Haut au lieu de Bas ou Bas au lieu de Haut, à celui attendu dans une porte numérique.
J’ai utilisé la méthode des plans d’expérience pour modéliser le comportement des CI.
Les travaux publiés sur les tests d’irradiations et que j’ai trouvés dans la littérature ne
prennent que rarement en compte l’effet de la température. Quand c’est le cas, ce n’est
généralement que pour spécifier le point de fonctionnement en température. Nous n’avons
pas encore trouvé de travaux décrivant la modélisation des effets combinés de la
température et de l’irradiation.
Les résultats obtenus dans ce travail permettront, avec un suivi continu du stress subi
par les circuits, d’établir un plan de maintenance de chaque circuit selon sa position dans
le tunnel du LHC. Le mauvais fonctionnement de chaque dipôle devra être détecté à
l’avance grâce à la fiabilité du système de monitorage dont les CI constituent les maillons
de base. Une défaillance subite et non contrôlée d’un dipôle peut engendrer des
dommages très fâcheux pour le fonctionnement de l’accélérateur et des expériences de
physique. De plus, pour assurer le suivi des dégâts provoqués par les particules émises
lors des expériences, un système de filmbadges mesure la radioactivité dans le tunnel du
LHC. Ces mesures permettent de quantifier les effets des radiations sur les circuits
intégrés, aussi bien pour un fonctionnement normal que pour un cas de défaillance des
aimants supraconducteurs.
12
13
C
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E IIII
LA TECHNOLOGIE CMOS
_________ ____ _________ ____ _________ ____ ______
14
Résumé du CHAPITRE II :
Les transistors MOS sont les structures de base des opérateurs logiques (AND, OR,
NOT, NAND, ...) qui constituent les FPGA. Il est donc indispensable de connaître leur
fonctionnement pour comprendre leur comportement sous irradiations. Ils sont de type
NMOS ou PMOS selon la nature des porteurs majoritaires (électrons ou trous). La
technologie CMOS permet d’avoir sur une même structure un transistor NMOS et un
transistor PMOS (Figure II-4).
Le principal inconvénient du CMOS, ce qui est le cas des FPGA d’Actel, est qu’il n’isole
pas électriquement les deux transistors. Les jonctions des zones dopées P et N font
apparaître un thyristor. Ce dernier peut conduire à un Latch-up, décharge électrique
pouvant détruire le transistor, à cause des effets induits par le passage d’un rayonnement
ionisant.
En vue de comprendre le comportement du FPGA face aux effets singuliers
(modification de l’état de la mémoire due aux rayonnements), j’ai modélisé, à l’aide du
logiciel LabVIEW, un élément représentatif constitué d’un seul registre à décalage. J’ai
utilisé le montage de la Figure II-13 en tant que bascule D d’un registre à décalage en y
ajoutant la possibilité de provoquer un événement singulier sur chacun des transistors.
Les programmes LabVIEW (« vi »), que j’ai élaboré, m’ont permis de simuler tous les cas
possibles et de montrer que, pour chaque coup d’horloge, il n’y a qu’un seul transistor sur
les 11 constituant la bascule qui provoque, soit dans l’état HAUT soit dans l’état BAS du
signal d’horloge, une erreur en sortie s’il subit un événement singulier SEU (Single Event
Upset).
Suite à la difficulté d’obtenir les détails de composition des circuits qui me permettraient
de modéliser précisément le comportement des bascules D (R-Cells), mes simulations n’ont
abouti qu’à l’élaboration d’un modèle générique pouvant être complété pour décrire un
circuit particulier. Cependant, ce chapitre est surtout destiné à faire office d’introduction à
la problématique de mon sujet de thèse.
15
II.A. Principe du MOS
Les transistors MOS sont à la base de l’électronique numérique moderne [2]. Ils sont
les structures constituantes des opérateurs logiques (AND, OR, NOT, NAND, ...) qui
constituent les FPGA (Field Programmable Gate Arrays). Il est donc indispensable de
connaître leur fonctionnement pour comprendre leur comportement sous irradiations.
Le transistor MOS se comporte comme un commutateur commandé par une tension
(0/5V, 0/3.3V). Il en existe 2 types : Le NMOS qui se comporte comme un interrupteur
fermé pour une commande logique de niveau « 1 » (tension haute), et le PMOS qui se
comporte comme un interrupteur fermé pour une commande logique de niveau « 0 »
(tension basse).
Prenons par exemple le NMOS, à canal N (Figure II-1) :
Figure II-1 : Schéma en coupe d’un NMOS [1]
Il est constitué :
- d’un substrat (B) en silicium (Si) qui est le support du transistor ;
- d’une source (S) et d’un drain (D) qui correspondent aux 2 extrémités de
l’interrupteur ;
- d’une grille (G) conductrice en silicium polycristallin ou polysilicium (Si poly) qui joue
le rôle de la commande d’ouverture/fermeture.
Le substrat est faiblement dopé positivement (P-), tandis que la source et le drain sont
fortement dopés négativement (N+). Ceci induit des zones de charge d’espace (ZCE) qui
isolent S de B et D de B. De plus, S et B sont connectés à la masse alors D sera au
niveau 0 ou 1 suivant la tension logique VDS.
C’est là qu’intervient la Grille G. Grâce à la couche isolante de SiO2, les charges ne
peuvent pas transiter de G à B. Lorsque VGS>0, le champ électrique va repousser vers le
bas les charges positives majoritaires de B et attirer les porteurs minoritaires chargés
16
négativement (les électrons) vers la surface Si/SiO2. Cet apport d’électrons va connecter
électriquement S et D en créant un canal. Le transistor est fermé avec le potentiel de G au
niveau logique « 1 » (Figure II-2).
Figure II-2 : Conduction entre Drain et Source pour le NMOS [1]
A ce moment, si D est au niveau logique « 1 » (VDS>0), un courant de porteurs
minoritaires va circuler de S vers D. Le transistor PMOS se comporte exactement comme
son homologue NMOS mais avec les charges inverses : les porteurs minoritaires sont les
trous, ou absences d’électrons.
Le substrat B est dopé N- tandis que S et D sont dopés P+. Dans ce cas, S et B sont
connectés à la tension d’alimentation (VDD). Lorsque VSG (=-VGS) >0, le champ électrique
entre G et B repousse les électrons vers le bas, et attire les trous vers l’interface Si/SiO2
pour former le canal. L’interrupteur est fermé avec le potentiel de G au niveau logique
« 0 » (Figure II-3).
Figure II-3 : Transistor PMOS en conduction [1]
II.B. Intérêt du CMOS
La technologie CMOS permet d’avoir sur une même structure, à très petite taille et à
moindre coût, un transistor NMOS et un transistor PMOS (Figure II-4) :
17
Figure II-4 : Représentation simplifiée d’une structure CMOS [1]
Comme vu précédemment, la source d’un transistor MOS est reliée à la masse dans le
cas des NMOS ou à la tension d’alimentation dans le cas des PMOS. Si on désire écrire
dans une mémoire (connectée au drain), le NMOS ne peut fournir que le niveau logique 0
et le PMOS que le niveau 1 (Figure II-5).
Figure II-5 : Etats du drain D d’un NMOS et d’un PMOS en fonction de la grille G
Il est alors nécessaire d’avoir les deux transistors en duo, d’où l’intérêt du CMOS.
L’exemple le plus simple est l’implémentation de la fonction NOT sur un seul CMOS. La
tension à inverser (Vin) est appliquée sur la grille de chaque transistor, et la tension de
sortie inverse (Vout) est récupérée sur les drains (Figure II-6).
18
Figure II-6 : Fonctionnement d’un inverseur [1]
II.C. Problème du CMOS
Le CMOS décrit précédemment est réalisé en technologie « Bulk ». Son principal
inconvénient est qu’elle n’isole pas électriquement les 2 transistors. Les jonctions des
zones dopées P et N font apparaître un thyristor [3] (Figure II-7).
Figure II-7 : Connexion des zones dopées formant le thyristor
Une particule déposant suffisamment d’énergie, créant ainsi des paires électron-trou,
peut mettre ce thyristor en conduction et détruire le transistor. Cet effet est appelé le
Latch-up. La technologie ‘Silicon On Insulator’ (SOI) apporte une amélioration des
performances. Les CMOS SOI dissipent moins d’énergie et la vitesse des états
transitoires des signaux électriques, en particulier sous irradiation, est plus faible que chez
les CMOS « Bulk » [4]. La source S et le drain D sont déposés sur une couche de SiO2 et
sont ainsi isolés de B, faisant disparaître le thyristor, et ainsi la sensibilité aux « Latch-up »
(Figure II-8).
Cette caractéristique les rend plus résistants aux effets singuliers induits par des
radiations. Cependant, la technologie SOI, de par son utilisation du dioxyde de silicium
SiO2 juste sous le canal, reste plus sensible à l’effet de dose que la technologie « Bulk ».
Ce phénomène, dû à l’effet de piégeage de charges, conduit à des dysfonctionnements
19
qui limitent les progrès apportés par cette nouvelle technologie SOI [5]. De plus,
l’augmentation de charges positives piégées crée un ensemble de champs électriques
parasites, dont la conséquence principale est la création de courants de fuite amenant à
l’augmentation du courant de consommation général du circuit et finalement à un
vieillissement accéléré [6].
Les circuits FPGA que nous testons sont de type A54SX72A et sont produits avec la
technologie « Bulk ». Ils sont par conséquent moins sensibles à l’effet de piégeage mais
ils restent probablement sensibles aux effets singuliers et aux « Latch-Up ». La figure II-8
illustre la différence conceptuelle entre les technologies « Bulk » et « SOI ».
Figure II-8 : Illustration de (a) la technologie « Bulk » et (b) la technologie « SOI »
II.D. Modélisation d’un Circuit Intégré (CI)
II.D.1. Première modélisation sous LabVIEW
En vue de comprendre le comportement du FPGA sous irradiations, j’ai modélisé, sous
LabVIEW, un composant élémentaire de base représenté par un simple registre à
décalage. LabVIEW permet de créer des instruments virtuels (vi). Chaque instrument est
représenté par une icône graphique encapsulant un code permettant de reproduire les
fonctionnalités de l’instrument ou du composant.
II.D.1.a. Signaux en entrées/sorties des composants
A chaque signal d’entrée sortie est associé un identifiant représenté par un nombre.
Les 5 signaux d’entrées/sorties sont alors définis comme suit :
« -2 » : le signal est forcé au niveau bas (connexion à la masse)
« -1 » : le signal est au niveau bas mais pas directement relié à une masse,
« 0 » : le niveau du signal est indéfini,
« 1 » : le signal est au niveau haut mais pas directement relié à la tension
d’alimentation Vcc,
« 2 » : le signal est forcé au niveau haut (connexion à VDD).
II.D.1.b. Composants élémentaires :
Les trois composants de bases nécessaires à la simulation sont définis par les ‘vi’
suivants :
20
1) le vi NMOS : c’est le vi représentant le fonctionnement d’un transistor NMOS. Sa
représentation graphique est représentée sur la Figure II-9.
Figure II-9 : Connexions du vi « NMOS »
2) le vi PMOS : c’est le vi représentant le fonctionnement d’un transistor PMOS, il est
représenté sur la Figure II-10.
Figure II-10 : Connexions du vi « PMOS »
Chacun des deux vi NMOS et PMOS dispose des connexions normales « Grille »,
« Source » et « Drain », mais aussi d’une entrée « SEU ». Il s’agit d’un booléen grâce
auquel on peut inverser la sortie (le drain) d’un transistor par rapport à son fonctionnement
normal, lorsque celui-ci est bloqué, pour simuler l’effet des radiations. Un SEU (Single
Event Upset) et un événement singulier, dû au passage d’une particule, qui inverse l’état
logique du drain par collection de charges (voir le paragraphe III.B).
L’entrée « Id » est utilisée pour identifier le transistor qui réalise l’opération. En effet,
les vi NMOS et PMOS gardent en interne la valeur précédente de leur drain. Pour deux
transistors NMOS, c’est le même vi qui est utilisé. Il est donc nécessaire de garder en
mémoire les valeurs des drains de tous les transistors dans un tableau. La variable « Id »
permet de retrouver la valeur précédente du drain dans le tableau. Par exemple pour le
transistor NMOS, lorsque la grille est (le Tableau II-1 résume les valeurs prises par le
drain) :
• Négative (niveau bas) : le transistor NMOS est bloqué et le drain garde l’état
précédent. Avec une correction s’il était auparavant à la masse (-2), il reste
négatif mais pas forcé (-1). De même s’il était connecté à Vcc (+2), il prend la
valeur 1.
• Nulle (niveau indéfini) : si l’état de la grille est indéfini (0), il en est de même
pour le drain (0)
• Positive (niveau haut) : le transistor est passant, le drain prend donc la valeur
contenue dans la source.
21
Tableau II-1 : Valeurs prises par le Drain d’un NMOS en fonction de sa valeur précédente, de la grille
et de la source
De façon symétrique pour le PMOS, on obtient le comportement décrit dans le Tableau
II-2 :
Tableau II-2 : Valeurs prises par le Drain d’un PMOS en fonction de sa valeur précédente, de la grille
et de la source
Les cases surlignées correspondent aux états qui peuvent être inversés par un SEU.
3° le vi Vote : Ce vi est nécessaire pour connaître l’état entre certaines connexions de
transistors, typiquement lorsque les drains d’un NMOS et d’un PMOS sont reliés. Il
compare les 2 signaux (« In1 » et « In2 ») et décide de l’état de la connexion (« Sortie »)
en fonction de l’état précédent, récupéré grâce à « Id » (Figure II-11 et Figure II-12)). Il est
représenté par un point d’interrogation dans un carré. Il ne correspond pas à un
composant réel du circuit et n’est donc pas soumis aux SEU.
Figure II-11 : Connexions du vi « Vote »
22
Figure II-12 : Utilisation du vi « Vote » entre les drains d’un NMOS et d’un PMOS
Si jamais le vi de vote reçoit 2 signaux 2 et -2, il envoie une erreur (Masse et Vcc
connectés). Si les 2 signaux valent -1 et 1 ou tous les deux 0, la sortie précédente est
renvoyée. Le Tableau II-3 indique les différentes valeurs de sortie possibles :
Tableau II-3 : Valeurs de sortie du vi de vote en fonction de ses 2 entrées In1 et In2 et de son état
précédent (Sortie prec)
II.D.1.c. Modélisation d’un registre à décalage
A partir des trois vi précédents, il est possible de construire une bascule D, qui
correspond à un bit mémoire dans un registre à décalage (Figure II-13). Ce modèle de
bascule D, constitué de 11 transistors (5 PMOS et 6 NMOS), a été utilisé au CERN pour
caractériser des transistors de technologie 0.25µm [7].
Figure II-13 : Schéma électrique d’une cellule dynamique (bascule D)
Par la suite, je supposerai que la bascule D représentée sur la figure II-13 est
représentative de celle du FPGA d’Actel puisqu’il s’agit de la même technologie. Les
détails des bascules d’Actel ne peuvent pas être fournis dans le cadre de ce travail. La
bascule est simulée en reliant les transistors et en plaçant les vi vote entre les vi PMOS et
les vi NMOS. Le câblage des vi est indiqué sur la figure II-14.
Le vi « registre à décalage » utilise ce modèle et simule un cycle d’horloge en interne
(état bas puis état haut) sur un nombre défini de bascules (« Nb bits »). Pour être plus
réaliste, j’ai aussi donné la possibilité aux SEU de se produire soit avant le front montant,
soit après. Il m’a paru nécessaire de distinguer ces étapes car les transistors ne se
trouvent pas dans les mêmes états avant et après le front, ce qui modifie leur sensibilité
23
au passage d’une particule. Cette particularité nous amène à considérer 22 cas possibles
qui sont résumés sur la Figure II-15.
Figure II-14 : Représentation d’une bascule D au niveau des transistors
Figure II-15 : Les 22 possibilités d’apparition d’un SEU (11 transistors * 2 demi périodes d’horloge)
Il est nécessaire de fournir au vi « registre à décalage » l’entrée « In » (booléen) et un
cluster de 2 tableaux regroupant l’ensemble des SEU sur chaque transistor pendant les 2
demi-périodes d’horloge à simuler (« SEU sur cycle d’horloge »). Chaque élément des
tableaux contient 11 booléens pour imposer les SEU sur chacun des 11 transistors
composant une bascule (Figure II-16).
Figure II-16 : Tableau permettant d’affecter des SEU à n’importe quel transistor, aussi bien avant
qu’après le front montant de l’horloge
24
La sortie du registre est récupérée avec la sortie « Out ». Une erreur est renvoyée (via
les vi vote) si une masse a été connectée à la tension d’alimentation (Figure II-17).
Figure II-17 : Connexions du vi « Registre à décalage »
II.D.1.d. Test du registre à décalage
Un autre vi, nommé « Test d’un registre (statistique) », crée aléatoirement un pattern
d’une longueur « Nb valeurs » et l’envoie bit à bit dans un registre à décalage constitué de
« Nb bits » bascules D (Figure II-18). Ici, il est nécessaire de préciser le nombre total de
bits (et non de patterns) à envoyer « Nb envois » et la probabilité qu’un transistor soit
soumis à un SEU (inversion de la valeur de son drain) « P(SEU) [%] ».
Figure II-18 : Face avant du programme de test d’un registre à décalage sous irradiations.
Le programme renvoie le nombre total de SEU (« nb SEU ») qui se sont produits sur
les transistors. Parmi ces SEU, seule une fraction va conduire à une erreur à la sortie de
la bascule (« Nb erreurs »). Le nombre d’erreurs est aussi ramené au pourcentage
d’erreurs « % erreurs » par rapport au nombre de bits envoyés. Une barre de progression
permet de savoir où en est le déroulement de la situation.
25
Pour mieux comprendre comment le nombre d’erreurs évolue en fonction des
différents paramètres, j’ai réalisé un autre programme nommé « Test d’un registre
(mathématique) », qui se contente de balayer toutes les possibilités de SEU en fonction de
l’état de la bascule (Figure II-20).
Etant donné la très faible proportion de doubles SEU attendus (voir le paragraphe V.A),
je ne présente ici que les cas où un seul transistor peut être touché. Il n’y a donc que 11
cas possibles. Les transistors peuvent être touchés soit avant, soit après le front d’horloge,
ce qui conduit à 22 cas différents.
Le dernier paramètre qui influence la possibilité d’erreurs est le signal d’entrée de la
bascule (« D »). Il faut distinguer les cas D=0 et D=1. Pour être sûr de ne pas passer à
côté d’autres possibilités, j’ai considéré en plus l’état précédent de la bascule. Il en ressort
4 transitions possibles (Figure II-19) :
Figure II-19 : les 4 combinaisons de bits sur 2 coups d’horloge
En résumé, j’ai considéré 22 x 4, soit 88 possibilités ; la simulation n’a renvoyé que 4
erreurs possibles (Figure II-20) :
Figure II-20 : Face avant du vi de test mathématique d’un registre à décalage sous radiations.
Chaque transition (sur la gauche) correspond à une ligne. Pour une seule transition,
les 11 transistors disposent de 2 booléens. Celui de gauche si le SEU a eu lieu à l’état bas
et celui de droite pour l’état haut. Un booléen « allumé » correspond à un SEU.
En regardant de plus près, on s’aperçoit que l’état précédent de D ne modifie pas la
possibilité d’avoir une erreur. Il ne reste alors que 2 cas :
26
-
lorsque D=0, un SEU après le front montant sur le transistor numéro 2 provoque
une erreur en sortie (qui vaut « 1 » au lieu de « 0 ») ;
lorsque D=1, un SEU après le front montant sur le transistor numéro 4 provoque
une erreur en sortie (qui vaut « 0 » au lieu de « 1 »).
La probabilité d’avoir une erreur est donc la même, quelque soit la valeur de D (si les
transistors 2 et 4 ont la même sensibilité aux radiations). Il ne reste donc plus qu’une
possibilité sur 22 pour qu’un SEU génère une erreur sur un bit. Seul un transistor sur les
11 a 50% de chances de provoquer une erreur sur la valeur de sortie de la bascule.
II.D.2. Les limites du modèle
II.D.2.a. La complexité de l’architecture interne.
Le modèle que j’ai réalisé reste très illustratif. En effet, dans la réalité les transistors
dans un circuit intégré ont une disposition spéciale en cellules logiques : R-Cell et C-Cell
représentées sur la Figure II-21 [8]. Pour compléter mon modèle, il aurait fallu connaître
l’organisation et la géométrie des transistors dans les deux types de cellules. Cependant,
même si je ne dispose pas de l’information exacte, le modèle reste assez générique pour
pouvoir y inclure les détails des cellules d’Actel ou d’une autre firme quand celles-ci
seraient disponibles.
Figure II-21 : Organisation des clusters dans un FPGA A54SX72-A [8]
En principe, les cellules sont organisées en clusters et en super clusters qui sont reliés
entre eux par des circuits d’interconnexions. Ces circuits sont différents pour les deux
types de super clusters. Certaines connexions entre cellules et clusters sont directes ;
d’autres nécessitent jusqu’à 5 « fusibles » à faire fondre lors de la programmation (Figure
II-22).
27
Figure II-22 : Organisation des connexions des super clusters 1(en haut) et 2 (en bas) [8]
Pour prendre en compte l’effet des radiations sur ces circuits d’interconnexion, il
faudrait, tout comme les transistors, connaître leur géométrie. D’autant plus que pour le
FPGA A54SX72-A, les pistes sont organisées sur 4 couches (Figure II-23).
Figure II-23 : Organisation en couche des éléments d’interconnexion dans les FPGA A54SX72-A [8]
28
II.D.2.b. L’importance des oxydes
L’interaction entre transistors dépend des oxydes d’isolation qui subissent eux aussi
les effets de dose et créent des champs parasites supplémentaires. Le meilleur exemple
est celui de l’effet « bec d’oiseau » (« Bird’s beak »). De chaque côté du canal de
conduction, l’oxyde de grille s’épaissit pour former une barrière qui isole le transistor de
ses voisins. Sur une vue en coupe, l’oxyde ressemble à une tête d’oiseau dont le bec vient
en contact avec l’oxyde de grille (Figure II-24). Le bec est lui aussi soumis au champ
électrique de la grille et va donc piéger des charges positives. De plus, étant bien plus
épais que l’oxyde de grille, il va emmagasiner plus de charges, et induire des courants de
fuite entre drain et source qui contournent le canal situé sous l’oxyde de grille [9].
Figure II-24 : Piégeage des charges positives dans les « bec d’oiseau » des oxydes
Je dispose donc d’informations sur les effets des radiations pour un transistor isolé, au
travers de publications qui mettent en évidence le décalage des tension de seuil et
l’augmentation du courant de consommation qui accompagnent l’effet de dose intégrée,
ainsi que les événements singuliers (SEU…) qui induisent des erreurs dans les mémoires
logiques [10] [11]. Il est possible de classer les pièges de charges dans les oxydes en
plusieurs catégories [12] et des méthodes expérimentales mettent en évidence les effets
séparés de chacun de ces pièges [13], mais aussi leurs répartitions spatiale et
énergétique dans les oxydes [14]. La connaissance des phénomènes au niveau d’un
transistor est cependant insuffisante pour modéliser le comportement d’une puce entière.
En effet, les effets collatéraux de l’irradiation (bec d’oiseau, impact sur les circuits
d’interconnexions) ne sont pas quantifiables car je n’ai pas une complète connaissance de
toute la structure du CI.
D’autres publications concernent des circuits logiques entiers [15] [16] pour lesquels
les 2 effets étudiés sont la dose totale et les événements singuliers. Certains paramètres
sont étudiés pour connaître leurs implications dans le dysfonctionnement des circuits,
comme la fréquence de fonctionnement [17] ou la tension de pompage de charges [18].
Ces implications sont détaillées dans le paragraphe III.A.7.
En résumé, dans ce chapitre j’ai réalisé un modèle numérique simple permettant
d’illustrer l’apparition des événements SEU. C’est une approche que j’ai choisie pour
illustrer la problématique de mon travail de thèse. Cependant, la modélisation multiphysique qui permettrait de simuler correctement l’origine physique de l’apparition d’un
SEU reste en dehors du cadre de travail de ma thèse.
29
C
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AP
PIITTR
RE
E IIIIII
EFFETS DES RADIATIONS SUR LES COMPOSANTS MOS
_________ ____ _________ ____ _________ ____ ______
30
Résumé du CHAPITRE III :
Sous l’effet des radiations, les composants électroniques peuvent montrer des changements
d’états
qui
sont
à
l’origine
de
dysfonctionnements
temporaires
ou
permanents.
C’est
particulièrement le cas des composants semi-conducteurs. Le dépôt d’énergie d’une particule de
haute énergie dans un composant semi-conducteur est principalement dû aux interactions
coulombiennes. Il est comptabilisé localement dans le composant par des ionisations et des
excitations atomiques ou moléculaires diverses. Quand la particule incidente est lourde, c’est le cas
des hadrons tels que les protons ou les neutrons, les interactions nucléaires peuvent induire des
déplacements ou des fragmentations de noyaux atomiques pouvant induire un changement des
propriétés chimiques ou physiques du milieu, comme dans le cas des implantations d’ions. Dans le
cas qui nous concerne, c’est-à-dire le comportement de composants CMOS sous irradiations dans le
tunnel du LHC, les dysfonctionnements sont majoritairement causés par les processus coulombiens
susceptibles de créer des distributions de charges électriques incompatibles avec le fonctionnement
correct du composant. La quantité d’énergie cédée par la particule incidente est accumulée dans le
silicium (Si) du circuit intégré (CI). Elle engendre un piégeage de charges positives (trous) dans les
isolants (en SiO2). Ces charges créent des champs parasites qui perturbent le fonctionnement des
composants élémentaires du circuit, c’est-à-dire les transistors. Les dysfonctionnements ou leur
probabilité d’apparition sont quantifiés en fonction de la dose reçue par le circuit, c’est-à-dire la
quantité d’énergie reçue par unité de masse exprimée en Gray. Un Gray est égal à un joule par
kilogramme.
C’est un exercice délicat de calculer la dose reçue par un élément de matière car elle ne
correspond pas forcément à l’énergie libérée par les particules radiatives dans cette matière. La dose
est l’énergie effectivement absorbée par cette matière. Dans le cas de composants fins, tels que les
circuits CMOS, une partie de l’énergie libérée sort de la matière.
Les charges piégées dans les oxydes se libèrent en fonction du temps et de la température en
suivant le modèle dit modèle de guérison. Le débit de dose et la température du circuit sont donc
des paramètres importants dans la modélisation du comportement du circuit ainsi que pour la
quantification des probabilités d’apparition/disparition d’erreurs dans son fonctionnement.
Nos circuits sont des FPGA de technologie CMOS. Des tests [18] ont déjà mis en évidence le lien
entre la panne fonctionnelle d’un FPGA et la diminution d’une tension de référence du FPGA (Vpump)
due aux radiations. D’autres tests ont fait ressortir l’importance de la fréquence de fonctionnement
des FPGA, pour une même température et même conditions d’irradiations. Il est utile de distinguer
entre un événement singulier (SEU pour Single Event Upset) et une panne fonctionnelle temporaire
ou permanente. Pour caractériser les événements singuliers que sont les changements d’états
logiques causés par une particule ionisante, on utilise :
-
la section efficace, σ, propre au circuit et exprimée en nombre d’erreurs.cm ,
-
le transfert d’énergie linéique (TEL), ou Linear Energy Transfert (LET), propre au faisceau de
2
2
-1
particules incidentes et exprimé en MeV.cm .mg .
Pendant mes tests, j’ai étudié le comportement des FPGA sous irradiations avec des photons de
10keV avec une source à rayons X au CERN, et avec des protons de 63 MeV à PSI (Paul Sherrer
Institute) à Villigen en Suisse.
31
III.A. Le dépôt d’énergie dans la matière
Les deux interactions coulombienne et hadronique (interaction forte) sont à l’origine de
la perte d’énergie d’une particule de haute énergie lors de la traversée de la matière. La
quantité d’énergie cédée à la matière dépend à la fois de l’énergie de la particule incidente
et de la nature de la matière traversée. En bout de compte, l’énergie effectivement reçue
par un circuit est principalement due aux mouvements de charges électriques même si
ces dernières ont été créées par un processus hadronique dans le circuit. Pour nos
études, la quantification de l’énergie effectivement déposée dans le silicium par les
radiations est cruciale pour pouvoir modéliser les dommages occasionnés. A titre
d’illustration, la Figure III-1 représente les traces des particules dans un bloc de silicium. Il
s’agit d’un faisceau de protons (traces bleues) entrant par la gauche, les traces d’autres
couleurs représentent les particules secondaires créées dans le bloc. En pratique, la
mesure de l’énergie déposée dans la matière nécessite l’utilisation de capteurs. Ceux-ci
sont disposés dans et/ou autour du bloc de matière étudié. Des notions de dosimétrie
seront nécessaires pour comprendre la grandeur effectivement mesurée pour quantifier
l’énergie reçue par la matière.
Figure III-1 : gerbe de particules provoquée par un faisceau dans la matière
III.A.1. Notions de dosimétrie
Les sources de radiations présentent des spectres de raies ou des spectres continus.
Par exemple, dans le cas d’une source à rayons X, il s’agit d’un spectre de raies. Pour les
tests avec des protons, on utilise un faisceau de particules à énergie fixe et le spectre
correspond à une simple raie. Quel que soit le type de spectre, le flux énergétique généré
par la source, noté Φ, s’exprime comme une puissance (énergie par unité de temps).
L’énergie totale transportée par le faisceau est :
T
W = ∫ Φ dt ( joules )
0
Le flux d’énergie suivant une direction est donné par
I=
dΦ
(Watt / steradian)
dΩ
Pour un élément de surface dS perpendiculaire à la direction du faisceau, l’éclairement
s’écrit :
32
E=
dΦ
I
= 2 si le faisceau est isotrope
dS R
R étant la distance parcourue par le faisceau depuis son point d’origine. La fluence est
définie comme l’intégrale sur le temps des tests de l’éclairement. C’est l’énergie totale
ayant traversé la surface dS qui est donnée par
T
F = ∫ E (t )dt
0
Si je prends un élément de matière sphérique, centré en P et de rayon dr (Figure III-2),
quel que soit l’orientation de ce volume, il présente toujours la même surface dS
perpendiculaire à une particule incidente. Ainsi, il n’est pas nécessaire de distinguer les
particules directes des particules secondaires afin de comptabiliser leur contribution
énergétique dans ce volume :
Figure III-2 : Sphère élémentaire de centre P et de rayon dr traversée par des rayons X
La surface d’interaction est
dS = π .dr 2
Qui correspond à l’éclairement:
E=
dΦ
dΦ
=
dS π .dr 2
Et la fluence s’écrit alors:
F=
dW
π .dr 2
Faisons le bilan de l’énergie déposée dans la sphère élémentaire (dWd) :
dW d = dWe − dWs
dW d représente l’énergie des particules entrantes (dW e) moins l’énergie des particules
sortantes (dW s). Les particules sortantes sont en majorité des photons et des électrons,
sinon des fragments nucléaires légers.
On définit le KERMA (Kinetic Energy Released per unit MAss) comme l’énergie
déposée par unité de masse (exprimée en Gray) [19].
33
K = KERMA =
dWd
[Gray ]
dm
On peut négliger l’énergie de masse des protons qui s’arrêtent dans la sphère, car ils
n’interagissent plus avec les noyaux (contrairement aux neutrons). Pour calculer
correctement le KERMA, il faut que la constitution de la sphère soit homogène. Pour un
diamètre de 5 µm, bien supérieur à l’échelle atomique (donc sphère homogène) mais bien
inférieur à la taille d’un composant électronique (donc sphère élémentaire), le KERMA est
le volume de cette sphère que multiplie l’énergie déposée dans le silicium par unité de
volume :
(
)
(
)
3
4

K = 14,55.1014 eV .cm −3 ×  π . 2,5.10 − 4 cm 3  ≈ 10keV
3

Le KERMA est l’énergie cinétique cédée à l’intérieur de la sphère. Cependant, cette
énergie cinétique cédée peut être absorbée dans ou en dehors de la sphère lors de l’effet
photoélectrique ou de l’effet Compton (Figure III-3) par exemple.
Figure III-3 : Inégalité entre la perte d’énergie cinétique et l’énergie absorbée dans la sphère
élémentaire
Le KERMA ne correspond donc pas à la dose D qui est l’énergie effectivement
absorbée (dW a) dans la sphère de masse dm :
dWa
D=
dm
Avec un faisceau de rayons X, on suppose l’équilibre électronique atteint après une
certaine profondeur, de l’ordre de 10 µm dans le silicium. L’énergie entrant dans la sphère
est égale à l’énergie qui en sort, donc l’énergie absorbée dans la sphère devient égale à
l’énergie cinétique qui y est créée. Ainsi le KERMA est égal à la dose :
K=D
Pour un faisceau de rayons X fixe et normal à la surface dS, l’énergie transférée dans
la matière dWt est donnée par la formule de l’atténuation :
34
dWt = Wi .µ a .dx
Avec :
Wi : Énergie incidente des photons,
µ a : Coefficient d’absorption du matériau.
Le KERMA s’écrit alors :
K=
Par définition
dWt Wi .µ a .dx µ a Wi
=
=
×
dm
ρ .dS .dx
ρ dS
Wi
est la fluence énergétique du faisceau F donc :
dS
K=
µa
×F
ρ
Cette relation lie une grandeur propre à l’énergie transférée à la matière (K) et l’énergie
(F) véhiculée par le faisceau, indépendamment de la matière, par un coefficient
caractéristique de cette matière. Si le KERMA est mesuré dans un milieu de référence
(souvent de l’air), il est possible de déterminer le KERMA dans un matériau, grâce à la
connaissance de sa densité et de son coefficient d’atténuation.
Dans le milieu de référence : K 0 =
µ a0
×F
ρ0
µa
Et le KERMA se calcule avec: K = K 0 ×
ρ
 µa 
 ρ

0
Cette dernière formule est souvent utilisée dans les calculs, à partir du moment où l’on
se place dans les conditions où l’équilibre électronique est atteint.
La manière dont une particule cède son énergie, ou plus fondamentalement interagit
avec une autre particule, est régie par la mécanique quantique. Lors de la traversée de la
matière, une particule subit une succession d’interactions élémentaires. Dans le cas qui
nous intéresse, il s’agit de l’interaction électromagnétique, et à moindre mesure de
l’interaction forte ou nucléaire. Les photons ou les électrons sont les principaux
responsables du dépôt local de dose. Le transport des électrons dans la matière est régi
par la formule de Bethe-Bloch qui traite la perte d’énergie comme une fonction continue.
En principe, l’électron subit une succession d’interactions élémentaires qui lui font changer
sa trajectoire ou émettre des photons de freinage, réduisant ainsi son énergie initiale ;
cette énergie est cédée dans le premier cas comme énergie de recul de noyaux
atomiques et dans le deuxième cas comme l’énergie du photon émis. Le processus se
répète jusqu’à un certain seuil en énergie. Les photons engendrés subissent également
une succession de processus élémentaires, résumés dans le paragraphe suivant, et
engendrant des particules secondaires d’énergies de plus en plus petites.
35
III.A.2. Interaction des photons avec la matière
L’interaction des photons avec la matière passe principalement par phénomènes
dépendants de l’énergie des photons incidents [20] :
III.A.2.a. L’effet photoélectrique (Figure III-4) :
Figure III-4 : Effet photoélectrique [20]
Le photon incident est absorbé par un électron d’une couche atomique profonde qui
est éjecté. Un autre électron d’une couche plus lointaine va prendre la place vacante en
libérant un photon dit photoélectrique.
III.A.2.b. L’effet Compton (Figure III-5) :
Figure III-5 : Effet Compton [20]
Le photon incident a suffisamment d’énergie pour éjecter un électron et continuer sur
sa trajectoire avec une énergie plus faible.
III.A.2.c. La production de paires (Figure III-6) :
Figure III-6 : Production de paires [20]
Avec une énergie encore plus importante (au moins égale à deux fois la masse d’un
électron), le photon interagit avec l’atome pour produire une paire électron/positron.
III.A.2.d. La relation entre ces effets
Pour les 3 effets, le principal résultat est l’ionisation de la matière par la création d’une
paire électron/trou (e-/h) dans le cas des semi-conducteurs. La présence de ces effets ne
dépend pas seulement de l’énergie du photon incident mais aussi de la charge électrique
36
du noyau (Z) qui définit le nombre d’électrons par atome de la cible. La Figure III-7 résume
l’importance relative des trois effets en fonction du numéro atomique du milieu traversé.
Figure III-7 : Importance relative de l’effet photoélectrique, de la diffusion Compton et de la
production de paires, en fonction de l’énergie du photon incident [20]
En ce qui concerne les transistors MOS, le matériau principal est le silicium (Si) de
Z=14. En dessous de 70 keV pour les rayons X, l’effet photoélectrique prédomine ; c’est le
cas pour des rayons X de 10 keV que j’utiliserai au CERN. Les rayons gammas d’une
source de 60Co ont une énergie de 1,25 MeV et interagissent principalement par effet
Compton.
Les hadrons, particules formées de quarks (protons, neutrons, pions,…) et les ions ont
un transfert d’énergie linéique (LET) très élevé par rapport aux photons et aux électrons ;
une seule particule peut induire des erreurs dans les circuits CMOS.
III.A.3. Effets des radiations sur les composants CMOS
La principale conséquence des radiations est l’ionisation des semi-conducteurs par la
création de paires électron/trou (e-/h pour electron/hole). Ces paires sont à l’origine des
deux effets principaux :
-
l’effet d’intégration de la dose (TID : Total Ionizing Dose) qui équivaut à une
accumulation d’énergie dans les isolants des circuits.
-
les effets instantanés ou effets singuliers (SEE : Single Event Effect) qui provoquent
des dysfonctionnements. Ceux-ci nécessitent la création simultanée de beaucoup
de paires, d’où le nom d’effet instantané. C’est pourquoi un SEE ne se produit que
lors du passage d’une particule.
37
-
un troisième effet apparaît lorsqu’on rencontre des particules massives : les
interactions nucléaires qui provoquent des fragmentations nucléaires
La dose cumulée correspond à une quantité d’énergie déposée par unité de masse.
Elle s’exprime en Gray ou en rad. 1Gy=100rad=1J/kg. Le nombre de paires e-/h créées
est proportionnel à la dose intégrée. Dans les semi-conducteurs, l’énergie nécessaire à la
création d’une paire e-/h (Ep) est reliée à l’énergie de gap Eg par la relation empirique
suivante :
Ep(eV) = 2.67 Eg(eV) + 0.87
(cas du Si)
Pour un isolant : Ep(eV) = 2 Eg(eV) (cas du SiO2)
[20]
[20]
Le nombre de paires produites par Gray pour le silicium et le dioxyde de silicium est
donné dans le Tableau III-1.
Tableau III-1 : Comparaison des caractéristiques du Si et du SiO2 [21]
Le SiO2 étant un isolant, les charges créées ne peuvent pas être évacuées par les
électrons et les trous du matériau.
III.A.4. La recombinaison (annealing) initiale
Une fois les paires créées, elles ont tendance à se recombiner entre elles. Cependant,
dans le SiO2 séparant la grille du substrat, la polarisation du transistor provoque la
séparation puis la migration des électrons et des trous dans des directions opposées. Les
électrons, plus mobiles que les trous, parviennent à sortir en quelques picosecondes
(Figure III-8).
Figure III-8 : Migration des charges dans le SiO2 pour un NMOS polarisé
La fonction de non recombinaison de Yates [22] donne de façon empirique le
pourcentage de paires qui parviennent à se séparer en fonction du champ électrique (en
MV/cm) induit par la polarisation de la grille (Figure III-9).
38
Figure III-9 : Fraction de trous échappant à la recombinaison initiale pour différents types de
radiations [22]
Pour des Rayons X :
 1.35 
Y ( E ) = 1 +

E 

−0.9
[23]
Il reste à déterminer le champ électrique appliqué. Les puces d’Actel A54SX72A sont
polarisées à 3.3V/2.5V. L’épaisseur de l’oxyde de grille est de 5 nm=5.10-9m
Pour la périphérie E = 3,3V/(5.10-9m) = 6,6.108 V/m = 6,6 MV/cm
Pour le cœur E = 2,5V/(5.10-9m) = 5 MV/cm
Pour de tels champs, la non-recombinaison est d’au moins 80%. Cependant, si lors du
passage du photon ou de la particule ionisante le transistor n’est pas polarisé, les paires
ne se séparent pas et la recombinaison est presque complète.
III.A.5. Le piégeage des charges dans l’oxyde
La plupart des trous non recombinés se font piéger pendant leur migration vers
l’interface de plus bas potentiel. Les pièges font apparaître des zones chargées
actuellement répertoriées en 5 groupes [21] [12] (Figure III-10) :
39
Figure III-10 : Les 5 types de charges présentes dans l’oxyde [21]
1. Qf est la charge fixe d’oxyde. Elle se trouve à proximité de l’interface (2.5nm) et ne
communique pas avec le silicium.
2. Qm est la charge des ions mobiles. La présence de ces ions peut être due à des
impuretés lors de la fabrication (de moins en moins avec les procédés actuels) ou
aux déplacements atomiques dus aux radiations.
3. Qot est la charge piégée dans l’oxyde, due à des pièges créés par l’irradiation. Elle
est majoritairement positive.
4. QBT est la charge positive piégée par des « Border Traps » près de l’interface (3nm)
et qui sont capables de communiquer avec le silicium.
5. Qit est la charge piégée à l’interface. Le piégeage est induit par le champ de
polarisation de la grille. La charge est négative pour les NMOS et positive pour les
PMOS.
Pour déterminer la nature des pièges, observons le SiO2 au niveau atomique. Le
dioxyde de silicium a une structure tétraédrique avec au centre l’atome de silicium et aux 4
sommets les atomes d’oxygène (Figure III-11).
Figure III-11 : Structure atomique du SiO2 [21]
40
Au niveau atomique, 2 configurations semblent prédominer quant à la nature des
pièges :
- les centres E’, dus à un atome d’oxygène manquant laissant 2 atomes de silicium
chacun avec une liaison covalente libre. Un trou peut se faire piéger par une de ces
liaisons (Figure III-12). Neuf types de pièges « E’ » ont été répertoriés à ce jour
[24], dépendant des liaisons atomiques de l’environnement.
Figure III-12 : Mécanisme de formation d’un piège de type E’ [21]
-
Les centres Pb forment uniquement les pièges d’interface. Ils sont générés par
la modification du réseau au niveau de l’interface Si/SiO2. Leur interaction avec
le Si les fait piéger des charges en fonction de la polarisation de la grille. Ils
piègent des électrons pour les NMOS et des trous pour les PMOS. Bloquant les
porteurs minoritaires, ils s’opposent directement au bon fonctionnement des 2
types de transistors.
Le graphe suivant décrit la dynamique du principal mécanisme de piégeage des trous
vers l’interface Si/SiO2 [25]. La grille est ici polarisée positivement. C’est pourquoi elle
attire les électrons tandis que les trous sont piégés sur le chemin menant à l’interface
Si/SiO2 (Figure III-13).
Figure III-13 : Mécanisme de piégeage des trous [25]
41
III.A.6. Le modèle de guérison
Un modèle mathématique a été proposé par Miller et al. pour décrire le comportement
de systèmes physiques activés par un processus [26].
L’équation générale décrit la variation d’un nombre d’« entités » (n(φ,t)) associées au
système en fonction d’un niveau d’énergie, du temps et des paramètres d’activation (R(t),
F(t), A(t)):
∂ n (φ , t )
= − n (φ , t ). F (t ). exp
∂t
 φ − R (t ) 
−

(
)
A
t


[26]
Dans le cas de charges piégées dans le dioxyde de silicium, n(φ,t) représente le
nombre de pièges d’énergie φ occupés.
-
R(t) (en eV) est le niveau d´énergie de référence fixé par le champ électrique
appliqué. R(t ) = β E (t ), β = cte [27].
-
A(t) (en eV) est la fonction d’activation thermique, qui s’écrit A(t)=k.T(t)/q [27]
-
F(t) (en Hz) représente la fréquence de relaxation (fréquence des tentatives
d’échappement des pièges). F(t)=a.T2(t), a étant une constante [27].
Le nombre de trous piégés, n(φ,t), diminue à une vitesse différente suivant le niveau
d’énergie φ. A chaque instant, il existe une énergie φm(t) à laquelle le taux de variation de
n(φ,t) est maximum.
C’est pourquoi le processus de guérison est décrit comme un front qui avance vers les
pièges d’énergie de plus en plus grande (profonde) (Figure III-14) :
Figure III-14 : Avancée du front pour une activation A constante [26]. φm est au point d’inflexion.
42
Ce front évolue de façon logarithmique dans le temps suivant l’équation :
φ m (t ) = R (t ) + A (t ). ln {(t − t 0 ).F (t )}
Soit :
φm (t ) = β E (t ) +
k × T (t )
× ln (t − t0 ) × a × T 2 (t )
q
{
}
Des tests ont mis en évidence la relation entre la guérison des pièges d’oxyde et la
production de pièges d’interface [28]. Les transistors testés sont de technologie bulk et
possèdent des volumes de grille (largeur*longueur*épaisseur) de 16µm*3µm*45nm. Ils ont
été irradiés à 3 températures très différentes (-25°C, 27°C et 100°C) avec une source de
rayons X d’énergie 10keV, et le décalage de leur tension de seuil est surveillée pendant
qu’ils sont polarisés. Les résultats montrent que plus la température est élevée, plus les
pièges de trous dans l’oxyde diminuent, ce qui correspond à une guérison, ou annealing,
grâce à la température. Cependant, cette diminution des pièges d’oxyde est accompagnée
par une augmentation équivalente des pièges d’interface, qui se formeraient suite à
l’arrivée des trous à l’interface Si/SiO2. Toujours en observant le décalage de la tension de
seuil, la vitesse de guérison des transistors est constante et indépendante de la
température durant l’irradiation.
III.A.7. Les effets macroscopiques
Une fois piégées, les charges induisent des champs électriques qui parasitent les
champs du fonctionnement normal du transistor. Ces champs parasites influencent les flux
de charges et induisent des courants de fuite, engendrant une consommation de courant
supplémentaire. La hausse du courant consommé est donc le reflet de la dégradation de
la puce par la dose cumulée.
D’un autre côté, la dose reçue ne peut à elle seule être associée à une dégradation
observée car d’autres paramètres (polarisation, température, débit de dose, ...) réduisent
ou amplifient considérablement les effets.
La consommation de courant supplémentaire va se traduire par une dissipation de
chaleur plus importante qui accélère le vieillissement de la puce. Cependant, en parallèle,
l’agitation thermique permet de libérer plus rapidement les trous et électrons piégés et
contribue ainsi à la guérison (annealing) de la dose cumulée. A une température
constante, la guérison fait diminuer le courant de façon presque linéaire avec le temps
[18].
Tous ces effets interagissent entre eux et ne peuvent être distingués que par des tests
dans lesquels la température et les paramètres d’irradiation sont contrôlés.
43
III.A.7.a. Les effets du vieillissement
Le vieillissement d’un circuit peut avoir une influence sur sa tenue aux radiations. Des
mémoires SRAM, basées sur du CMOS commercial de technologie bulk avec une
longueur de grille de 0,8µm, ont été soumises à des stress de température de 150°C
pendant des temps variant de 0 à 802 heures avant d’être irradiées par des rayons
gamma de 1,25MeV (60Co) jusqu’à une dose de 100kradSiO2 avec un débit de dose de
64,5 rad(SiO2).s-1 [29]. Sans stress préalable, les circuits ont tenu presque 80krad(SiO2)
avant que la moitié de leur mémoire ne soit défectueuse. Une semaine de stress à 150°C
avant l’irradiation n’a pas montré de différences. Avec un stress en température préalable
de 150°C, et sur une durée de plus d’une semaine (1 68 heures), plus ce temps de stress
est important et plus le temps de tenue aux radiations est faible : pour 802 heures de
stress, la moitié de la mémoire est en panne fonctionnelle au bout de 48krad(SiO2)
seulement soit 40% de différence avec les tests sans stress.
La relation existant entre les températures et les temps de stress a été évaluée à :
t  E  1 1 
ln 2  = a ×  − 
 t1  k  T2 T1 
Par exemple, si on sait que le circuit fonctionnera à T1=60°C (333K) pendant une durée
de 6 mois soit t1=4320 heures, un stress à la température T2=150°C (423K) est équivalent
à ces 6 mois à T1 si on l’exerce sur une durée de :
t 2 = t1 × e
Ea  1 1 
 − 
k  T2 T1 
= 0,06 × t1 = 260heures , soit un peu moins de 11 jours.
III.A.7.b. Le circuit de pompage
La meilleure démarche pour l’étude de la TID est de choisir différents paramètres à
mesurer. À chacun est associée une spécification ou tolérance, c’est-à-dire un intervalle
de valeurs, en dehors duquel le circuit est dit en « panne fonctionnelle ». Les paramètres
les plus couramment mesurés sont :
-
Les courants de consommation Icc du cœur et de la périphérie du CI,
Les délais de propagation grâce à une chaîne d’inverseurs.
La tension de pompage Vpump.
Dans tous ces tests, le premier paramètre qui sort de sa spécification est toujours, et
de loin, le courant de consommation, en particulier celui du cœur de la puce [18].
Pour une technologie 0.6µm d’Actel (RTSX), la panne fonctionnelle se produit à 56
kradSi, et se traduit par une brusque augmentation du courant. En parallèle, à partir de 45
kradSi, la tension de pompage Vpump diminue brusquement de 6V (tension normale) pour
atteindre 4V à 56kradSi [18]. (1radSi = 0.56radSiO2 [30]).
La panne fonctionnelle observée lors des tests se produit lorsque Vpump passe au
dessous d’un certain seuil, ici 3.8V (Figure III-15).
44
Figure III-15 : Tension de pompage et évolution du courant Icc en fonction de la dose totale [18]
Vpump est une tension continue, fournie par un convertisseur DC/DC, et contrôlant un
transistor NMOS dans chaque cellule logique. Elle permet d’isoler les modules logiques
lors de la programmation d’un CI [15] (Figure III-16).
Figure III-16 : Circuit d’isolation d’un module logique grâce à Vpump (Charge Pump) [15]
Pour connecter le signal d’entrée au buffer du module logique, les deux transistors
commandés par « Charge Pump » doivent être passants. Il est nécessaire d’avoir Vpump
supérieur au signal (donc à VDD) plus la tension de seuil du NMOS, Vth :
V pump > Vcc + Vth
Dans la logique numérique TTL 0/5V, le niveau logique ‘1’ est associé à une tension
supérieure à 2.5V. La tension de seuil des transistors est de 0.7V/0.8V. Vpump doit donc
être strictement supérieure à 3.3V pour laisser passer des signaux de niveau logique ‘1’
dans le CI.
45
Si cette condition n’est pas respectée, toute la mémoire du CI se vide et les
éventuelles sorties tombent au niveau logique ‘0’ (soit 0V).
III.A.7.c. L’influence de la fréquence
D’autres tests mettent aussi en évidence les effets de la fréquence de fonctionnement
de la puce. Les courants de consommation de CI RT54SX16 ont été mesurés en
fonctionnement statique, à basse fréquence (300kHz) et à haute fréquence (40MHz)
(Figure III-17). La tolérance pour la variation du courant est de 4mA. En fonctionnement
statique ou à 300kHz, la TID limite est de 50kradSi à température ambiante et environ à 55
kradSi à 55°C. Le même CI fonctionnant à 40MHz, et se tro uvant naturellement à 55°C, a
une TID limite d’environ 70kradSi [17], comme le montre la Figure III-17.
Une fréquence de fonctionnement plus élevée rend le CI plus résistant à l’effet de
dose, indépendamment de la température.
Figure III-17 : Différentes évolutions du courant en fonction de la fréquence et de la température [17]
III.B. Les effets singuliers (SEE)
III.B.1. Description générale et caractérisation
Le passage d’une particule peut aussi induire un effet instantané : le « Single Event
Effect » ou SEE. 8 types de SEE ont été répertoriés, certains n’induisant que des erreurs
et d’autres détruisant les transistors [31]. Le mécanisme à l’origine des SEE est le même
que celui de l’effet de dose, mais au lieu de se produire dans l’isolant, il se produit dans le
silicium du substrat, du drain ou de la source.
Le SEE non destructif le plus commun est le SEU (« Single Event Upset ») qui change
l’état logique d’un transistor de 0 à 1 ou de 1 à 0 (Figure III-18). Dans le cas d’un NMOS,
si la particule passe par le drain, elle peut créer suffisamment de paires e-/h pour changer
46
son potentiel. Des tests de radiations sur des mémoires logiques ont mis en évidence une
probabilité de passer de l’état 0 à 1 (97% des cas) beaucoup plus importante que de 1 à 0
[32].
Figure III-18 : Passage d’une particule par le drain
Dans les transistors de la technologie SOI, lors du passage d’une particule créant
des charges sur sa trajectoire, seules les charges créées au dessus de la couche isolante
de SiO2 peuvent être collectées, réduisant la sensibilité aux événements singuliers (SEE).
Des transistors NMOS de technologies bulk et SOI ont été construits avec différentes
longueurs de grille (0.25µm, 0.4µm et 0.6µm pour les bulk et 0.5µm, 0.8µm et 10µm pour
les SOI) afin d’étudier l’effet de collection de charges lors du passage d’un ion lourd (Cl de
35MeV ou Cu de 50MeV) avec une incidence normale [33]. Dans les NMOS Bulk, la
collection de charge est maximale lorsque la particule passe par le drain ou la source, plus
particulièrement dans le drain lorsque celui-ci est polarisé à 1V, avec les autres
connexions à la masse. Dans les NMOS de type SOI, la couche isolante de dioxyde de
silicium, qui mesure entre 100 et 140nm, empêche la collection de charges dans le
substrat au niveau du drain et de la source. Cependant des charges sont créées lorsque
l’ion passe par la grille, et vont s’accumuler autant dans le drain que dans la source,
toujours avec le drain à 1V, la source et la grille à 0V. L’accumulation de charge dans les
SOI reste toutefois dix fois moindre que celle des NMOS bulk.
Le SEE destructif que l’on rencontre le plus souvent dans les oxydes « bulk » est le
Single Event Latch-up, imagé sur la Figure III-18. Comme défini plus haut, le latch-up est
une décharge à travers un thyristor n-p-n-p. L’ionisation provoquée par le passage d’une
particule peut favoriser les latch-up.
Pour déterminer la sensibilité d’un circuit à un type de radiation, 2 grandeurs sont
utilisées :
-
la section efficace ou « cross section » σ (en erreurs.cm2) : σ reflète la sensibilité
du circuit. Multipliée par le flux de particules incidentes (F, en nombre de
particules.cm-2.s-1), elle donne le taux d’erreurs (en erreurs.s-1). L’avantage par
rapport au taux d’erreurs est qu’elle ne dépend pas du temps d’irradiation mais
seulement du circuit.
σ=
Nb err / sec
F
47
-
le transfert d’énergie linéique TEL (en MeV.cm2.mg-1) : L’avantage du TEL est qu‘il
ne dépend pas des caractéristiques du circuit mais seulement de la nature de la
radiation.
TEL =
Edéposée
ρ
La courbe la plus typique est celle de la section efficace en fonction du TEL (Figure
III-19) :
Figure III-19 : Section efficace d’un circuit en fonction de l’énergie déposée par une particule
incidente.
Elle peut être approximée par une fonction de Weibull, dont un exemple est donné
dans [18], sur laquelle on définit :
-
La section efficace de saturation σsat, qui est simplement le maximum de la
section efficace,
-
le seuil du TEL (TELth) qui correspond à la valeur du TEL pour σ=σsat/10. TELth
caractérise la tenue aux radiations du circuit.
A partir des tables données dans [34], on peut évaluer le TEL des protons de 60 MeV
p + (60 MeV )
−3
−1
= 9.10 MeV .cm .mg Si on se reporte à la distribution de
dans le SiO2 à : LETSiO 2
Weibull ci-dessus, on se retrouve tout à fait sur la gauche du graphique. Des protons de
60 MeV ne devraient en principe pas engendrer beaucoup de SEE.
2
48
III.B.2. Résultats de tests
Lorsque l’on teste des CI comme le A54SX72A, un moyen simple et efficace de mettre
en évidence les SEU est le registre à décalage. Un registre est une chaîne de cellules
logiques qui peuvent être construites soit par des « Register Cells » (bascules D), soit par
2 « Combinatorial Cells ». Ces dernières, bien qu’utilisant plus de transistors, sont moins
affectées par les radiations que les R-Cells [18].
Pour les puces RT54SX16 et 32, et pour un registre de 240 cellules de type R, des
tests ont mis en évidence que seuls des protons très énergétiques (193MeV) induisent
quelques SEU avec σ=6,3.10-15 cm2.FF-1 [18]. Il faut utiliser des ions lourds afin de pouvoir
tracer une distribution de Weibull. Dans les mêmes conditions, des protons de 55 MeV
n’ont pas eu d’effet. Rappelons que la série de CI d’Actel RT (Radiation tolerant) est plus
résistante aux radiations que la série SX-A que j’utilise pour mes tests.
D’autres tests ont été réalisés sur des CI Actel FPGA SX-A pour le détecteur ATLAS.
Les CI ont été remplis de registres à décalage de 4 bits, puis irradiés avec une fluence de
protons de 2,6.1012 p.cm-2 d’énergie 70MeV, le tout à température ambiante [35]. Ces
tests ont mis en évidence une section efficace < 1,5.10-15 cm2.FF-1 pour la série SX-A,
avec une probabilité de 90%.
Des FPGA A54SX32 utilisés dans la chambre à muon de CMS, de la même série que
ceux que je teste, ont été testés à l'aide de registres à décalage de 450 bits avec des
patterns aléatoires, et à une fréquence de 1MHz [16]. Les particules utilisées sont des
protons de 59MeV, donc avec un dépôt d'énergie similaire à ceux de 63MeV que j'ai utilisé
à PSI, et ce jusqu'à une dose de 40krad à 70krad suivant les FPGA. A cette énergie, 1010
protons.cm-2 déposent 1,4krad soit 14Gy dans le circuit intégré.
Aucune panne fonctionnelle ni latch-up n'ont été relevés, et seul 1 SEU est apparu sur
le signal d'horloge après une fluence de 1,4.1012 protons.cm-2. La section efficace a donc
été majorée pour un FPGA entier :
σSEU < 2,9.10-12 cm2.
D’après des différentes publications, il faut s’attendre à très peu de SEE pour mes
tests. Le principal effet sera l’effet de dose décrit précédemment.
III.C. Les déplacements atomiques
La dernière catégorie des effets est à prendre un peu à part des 2 premières. Les
particules radiatives peuvent interagir avec les noyaux atomiques et les déplacer de leur
site. Ces déplacements atomiques sont à l’origine de défauts et brisures de symétrie dans
le réseau cristallin de Si et de SiO2 qui créent de nouveaux pièges à charges. L’exemple le
plus connu est la formation d’un centre E’ par le déplacement d’un atome d’oxygène dans
le dioxyde de silicium.
Il est bien évident que les rayons X (photons) n’induisent pas de déplacements
d’atomes.
49
C
CH
HA
AP
PIITTR
RE
E IIV
V
L’ENVIRONNEMENT RADIATIF DU LHC
_________ ____ _________ ____ _________ ____ ______
50
Résumé du CHAPITRE IV :
Pour connaître les radiations effectivement reçues par les FPGA, j’ai calculé la position
exacte des châssis électroniques. Le maximum de radiations est attendu dans les DS
(Dispersion Suppressor) du point 5 (détecteur CMS).
J’ai ensuite recoupé ces informations avec les données de simulation de FLUKA. Ce
logiciel permet de calculer la dose et l’environnement radiatif dans le tunnel du LHC.
Il en ressort que le pire cas est une dose de 1,3 kGy sur les 20 ans de fonctionnement
normal de l’accélérateur.
Les simulations sur FLUKA ont aussi permis de calculer la fluence (nombre total de
particules par cm2) attendue pour les protons, pions et neutrons. On attend :
-
7,67.1013 n.cm-2 pour des énergies supérieures à 100 keV.
-
2,21.1011 p.cm-2 pour des énergies supérieures à 100 keV.
-
3,51.1011 π.cm-2 pour des énergies supérieures à 100 keV.
Ces valeurs seront prises comme références au CHAPITRE VIII afin de calculer la durée
de vie des circuits FPGA contenus dans le châssis du pire cas.
51
IV.A. Géométrie du LHC
IV.A.1. Vue générale
Le LHC forme un cercle de périmètre 27 km à 100m sous terre, divisé en 8 octants
d’un peu plus de 3 km. Tout le long de la machine, les protons seront accélérés dans les 2
sens à l’aide de 2 tubes séparés. Ces 2 faisceaux ne se rencontreront qu’au niveau des 4
détecteurs ATLAS, CMS, ALICE et LHC-B, chacun placé au centre d’un octant (Figure
IV-1).
Figure IV-1 : Schéma de principe du LHC. Les faisceaux se croisent au niveau des 4 détecteurs
52
IV.A.2. Détail d’un octant
Un octant est composé de plusieurs zones disposées de façon symétrique par rapport
à son centre. Si on part de ce dernier, on se trouve dans une grande partie droite (LSS,
Long Straight Section). Dans la partie courbe du tunnel, on trouve ensuite le DS
(Dispersion Suppressor) qui refocalise les faisceaux, puis l’ARC qui courbe les faisceaux
(Figure IV-2).
Les châssis sous-dipôles sont disposés uniquement dans les DS et les ARCs.
Figure IV-2 : Détail des zones du LHC. LSS, DS et ARC forment l’octant
IV.A.3. Exemple de disposition des châssis
Les Figure IV-3 et Figure IV-4 montrent la disposition des aimants (dipôles et
quadripôles) autour du point 5 (détecteur CMS), englobant la partie droite (LSS) où se
trouvent le détecteur et les 2 DS, de part et d’autre de la LSS. Le DS de gauche quand on
regarde depuis l’intérieur de l’anneau du LHC est appelé DSL5 : Dispersion Suppressor
Left du point 5. Celui de droite est le DSR5. En s’éloignant des détecteurs, les DS sont
composés de 4 groupes « dipôle-dipôle-quadripôle », le dernier de ces groupes présentant
un espace de plusieurs mètres séparant le 2ème dipôle du quadripôle Q11. Un DS contient
4 châssis de cartes électroniques, représentés par des rectangles rouges sur les Figure
IV-3 et Figure IV-4, et disposés chacun sous le 2ème dipôle des 4 groupes. Les distances
indiquées en rouge sont calculées par rapport au zéro des graphes de simulation (Figure
IV-6) du paragraphe IV.B.
Pour le détecteur ATLAS, au point 1, le nombre de châssis et leur positionnement sont
similaires à ceux de CMS.
53
Figure IV-3 : Disposition des châssis dans le Dispersion Suppressor Left 5 de CMS (DSL5)
Figure IV-4 : Disposition des châssis dans le Dispersion Suppressor Right 5 de CMS (DSR5)
IV.B. Les radiations dans le LHC
IV.B.1. Environnement radiatif
Dans le tunnel, les particules radiatives seront de tous les types décrits dans le
chapitre III, tout en présentant des spectres énergétiques étendus. On peut les classer
en trois catégories [36] :
-
Les particules électromagnétiques que sont les photons, électrons et positons.
Les particules chargées lourdes (hadrons) comme les protons, les pions et les
ions.
Les particules neutres lourdes composées principalement de neutrons.
Les protons et les ions qui seront accélérés dans la machine provoqueront des
collisions avec les particules résiduelles des tubes. Ces collisions engendreront une
radioactivité sur toute la longueur du tunnel. La fréquence de ces interactions sur les
27km a été évaluée à 1,05.104 m-1s-1[37].
Les paquets de protons accélérés produiront aussi des gerbes de particules suite
aux interactions dans les 4 détecteurs. Les zones les plus radioactives sont donc les 4
points d’interaction 1, 2, 5 et 8 (associés aux octants). Ces collisions inélastiques vont
envoyer des particules tous azimuts. Une bonne partie restera au niveau des détecteurs
ou sera capturée par les absorbeurs TAS et TAN situés de part et d’autres des points
d’interaction, dans les LSS (Figure IV-3 et Figure IV-4). Seules les particules qui seront
émises avec un tout petit angle atteindront les DS [37], dans lesquels les châssis
d’électronique seront les plus touchés par les radiations.
IV.B.2. Estimation de la dose dans les DS
Le logiciel FLUKA a été utilisé pour évaluer les doses cumulables dans différentes
parties de l’accélérateur. Les simulations consistent à suivre le flux des particules de
hautes énergies sortant d’un point d’interaction de haute luminosité, le long des 171m
d’un DS, ainsi que les interactions des faisceaux avec le gaz résiduel dans le tube. Une
première simulation calcule la répartition de la dose sur une coupe longitudinale d’un
DS (Figure IV-6). La coupe mesure en réalité la moyenne de la dose sur une épaisseur
de 60 cm englobant les tubes de faisceau (sauf au niveau de ces tubes où l’épaisseur
est de 40 cm), comme décrit sur la Figure IV-5.
Sur la Figure IV-6, schématisant un DS, les doses calculées sont représentées par
des couleurs, dont l’échelle est indiquée en dessous, avec comme unité le Gy/an.
L’unité de l’axe des abscisses est le centimètre, avec le zéro centré sur le côté du
dipôle MBA près du quadripôle Q9 (comparer avec les Figure IV-3 et Figure IV-4).
Contrairement à ce qu’on peut imaginer, la répartition de la dose ne diminue pas avec
la distance par rapport au point de collision des paquets de protons, qui se trouve 270
mètres vers la droite du graphique. En se plaçant sous le 2ème dipôle de chacun des 4
groupes « dipôle-dipôle-quadripôle », on peut estimer que le châssis du deuxième
groupe sera le plus touché par les radiations, suivi par celui du 4ème groupe, pour lequel
la dose est élevée à cause de l’espace sans aimant.
Figure IV-5 : Section transversale du tunnel utilisée pour calculer la dose sur une coupe
longitudinale du tunnel [37]
Figure IV-6 : Résultats de la simulation FLUKA de la dose émise le long d’un DS du point 5 [37]
.
56
Les courbes suivantes (Figure IV-7 à Figure IV-10) représentent la dose moyenne
en Gray (J/kg), toujours sur un DS, mais sur une tranche de 30cm au dessus du sol,
juste en dessous des aimants, où seront installés les châssis. Une échelle en dessous
des courbes permet de situer les différents éléments de l’accélérateur (quadripôles et
dipôles). Les 4 abscisses que j’ai notées sur chacune de ces courbes correspondent
aux positions des 4 châssis sous les 2èmes dipôles de chaque DS, mesurées sur les
Figure IV-3 et Figure IV-4. J’ai ainsi pu évaluer, plus précisément qu’à partir de la
Figure IV-6, la dose annuelle attendue pour les circuits FPGA dans les DS droite et
gauche des points les plus radioactifs 1 (ATLAS) et 5 (CMS).
Figure IV-7 : Dose annuelle pour les 4 châssis du Dispersion Suppressor Left 1 (DSL1) [37]
Figure IV-8 : Dose annuelle pour les 4 châssis du Dispersion Suppressor Right 1 (DSR1) [37]
Pour le point 1, le châssis qui recevra le plus de dose est dans le DS de gauche,
avec 50Gy attendus par an, soit 1kGy sur 20 ans (Figure IV-7).
57
Figure IV-9 : Dose annuelle pour les 4 châssis du Dispersion Suppressor Left 5 (DSL5) [37]
Figure IV-10 : Dose annuelle pour les 4 châssis du Dispersion Suppressor Right 5 (DSR5) [37]
Pour le point 5, le châssis qui recevra le plus de dose est dans le DS de gauche,
avec 65Gy attendus par an, soit 1,3kGy sur 20 ans (Figure IV-9). Il s’agit du châssis qui
sera le plus soumis à l’effet de dose sur l’ensemble du tunnel.
IV.B.3. Estimation des flux de particules dans les DS
Les simulations sous FLUKA prennent en compte les protons, les neutrons et les
pions chargés. Elles comptabilisent ces particules au dessus des énergies de coupure
100keV, 1MeV, 20MeV, 50MeV et 100MeV. Par exemple, le nombre d’hadrons
(comprenant protons, neutrons et pions) d’énergies supérieures à 20 MeV est donné
dans la figure IV-11. Comme pour les simulations de dose, l’échelle est basée sur des
couleurs et l’unité est le nombre de particules par cm2 et par Gy. Il faut combiner ces
graphes avec ceux décrivant la répartition de la dose pour obtenir la fluence totale.
58
La grande majorité des particules présentes dans le tunnel seront les neutrons ; la
figure IV-12 donne le nombre de neutrons d’énergie supérieure à 100KeV.
Figure IV-13 : Fluence des hadrons de plus de 20MeV le long des DS 5 [37]
Figure IV-14 : Fluence des neutrons de plus de 100keV le long des DS 5 [37]
Des tables reprenant les valeurs de ces graphes permettent de trouver précisément
la fluence des particules en fonction de la position dans le tunnel et du type de
particules.
Ainsi, sous les dipôles, les simulations ont calculé des fluences.cm-2.Gy-1 de [37] :
-
5,9.1010
1,7.108
2,7.108
+/- 2,4%
+/- 5%
+/- 5%
pour des neutrons d’énergies supérieures à 100 keV.
pour des protons d’énergies supérieures à 100 keV.
pour des pions d’énergies supérieures à 100 keV.
59
Si on se réfère au châssis qui reçoit le plus de dose, il faut multiplier ces valeurs par
1,3kGy. Les fluences finales s’expriment en nombre de particules par cm2 (n, p ou π)
-
7,67.1013 n.cm-2
2,21.1011 p.cm-2
3,51.1011 π.cm-2
pour des neutrons d’énergies supérieures à 100keV.
pour des protons d’énergies supérieures à 100KeV.
pour des pions d’énergies supérieures à 100 KeV.
Ces valeurs seront prises comme références au CHAPITRE VIII afin de calculer la
durée de vie des circuits FPGA contenus dans ce châssis.
60
61
C
CH
HA
AP
PIITTR
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EV
V
CONCEPTION DU BANC DE TEST
_________ ____ _________ ____ _________ ____ ______
62
Résumé du CHAPITRE V :
Pour identifier facilement les erreurs qui surviennent dans la mémoire d’un FPGA, j’ai
utilisé la structure la plus simple : le registre à décalage, qui consiste à mettre des
bascules D en série.
Si une erreur arrive sur une bascule, elle est reportée à la sortie de la mémoire et peut
être détectée. Pour ne pas être vue, il faudrait qu’une 2ème erreur se produise sur le même
bit pour lui redonner sa valeur initiale. Des calculs de probabilité ont montré à quel point
ce phénomène est négligeable.
Le banc de tests a été créé de manière à pouvoir irradier directement le silicium (Si)
des circuits intégrés (CI) grâce à l’ouverture chimique des FPGA (indispensable pour les
rayons X). Le FPGA est installé sur un support amovible afin de n’utiliser qu’une carte
électronique, spécialement conçue pour ces tests.
Un système de chauffage appliqué sous le boîtier FPGA du CI a été caractérisé par
des plans d’expérience pour connaître avec précision et en « temps réel » la température
du silicium.
Les bancs de tests sont à peu près semblables pour les 2 versions de programmes
des CI (FPGA4 et FPGA8). Ils comportent des sources de tension pour la carte
électronique et le système de chauffage. La lecture de la température et du courant de
consommation du CI se fait par GPIB. La lecture des erreurs est réalisée par une nappe
numérique (32 ou 96 voies).
63
V.A. Programmation du CI
Dans les FPGA A54SX72-A, il existe 2 types de cellules : R pour « register » (avec
bascule D) et C pour « combinatorial » (logique combinatoire uniquement). Dans la
série SX-A, il n‘est pas possible de programmer les cellules C pour créer les registres à
décalage. Ceux-ci resteront donc inutilisés.
Figure V-1 : Structure d’une cellule de type « register » dans un CI
Il reste les 2012 cellules R (R-Cell : Figure V-1) comprenant chacune une bascule D
accompagnée de multiplexeurs.
Figure V-2 : Bascule D
La bascule D comprend une entrée notée D, une sortie Q et une horloge CK (Figure
V-2). Q reste la même jusqu’à ce qu’un front d’horloge (montant ou descendant selon la
configuration) se produise, et prend la valeur de D.
Pour modéliser un comportement, il est plus intéressant de tester directement ces
bascules pour déceler les SEU. Le nombre limité d’entrées/sorties de la puce oblige à
les mettre en série dans des registres à décalage. Un registre est une liste dont chaque
cellule contient en mémoire un bit de donnée (0 ou 1) (Figure V-3).
Figure V-3 : Registre à décalage de 4 bits
A chaque coup d’horloge, les valeurs sont décalées d’une cellule. La valeur
rentrante (In) est envoyée par software. La valeur sortante (Out) est récupérée et
64
comparée à sa valeur initiale. Si un SEU est survenu, les deux valeurs seront
opposées.
Il se pose alors le problème de multiples SEU sur un bit de données. Si deux se
produisent sur un bit qui transite dans un registre, aucune erreur ne sera détectée, car
la 2ème erreur aura compensé la première. Le nombre de SEU que peut subir un bit est
directement proportionnel au temps passé dans le registre à décalage. Ce dernier est
égal à la longueur du registre divisée par la fréquence d’horloge et dépend donc des
ces deux paramètres.
Pour modéliser le nombre de SEU attendus, une approche probabiliste s’impose.
Posons P la probabilité qu’une particule induise un SEU et change la valeur d’un bit
pendant un cycle d’horloge (soit le temps passé sur une bascule, inversement
proportionnel à la fréquence du CI) et n la longueur du registre traversé. La probabilité
que le bit subisse i SEU est proportionnelle au nombre de combinaisons de i bascules
parmi les n,
C ni .
Par exemple, pour i=2 SEU, nous rencontrons le cas de figure décrit dans l’exemple
suivant :
On considère un bit de donnée qui transite dans le registre. C’est pourquoi chaque
case du tableau ci-dessous correspond à une bascule D du registre à un temps de
décalage par rapport à ses voisines immédiates, de t0 à tn.
Pour cette configuration, nous devons prendre en compte 2 fois la probabilité qu’un
SEU se produise, P, mais aussi (n-2) fois la probabilité que les autres bascules restent
intègres, (1-P) (Figure V-4).
Figure V-4 : Configuration probabiliste d’avoir 2 SEU sur un bit avec un registre de longueur n
Deux de ces cases contiennent la probabilité P, tandis que les autres qui ne sont
pas touchées par une particule, prennent la probabilité complémentaire (1-P).
Cette configuration survient lorsque la 1ère bascule n’est pas touchée et que la
2ème n’est pas touchée etc. Sa probabilité d’existence est donc le produit des
probabilités de chaque bascule :
(1 − P ) × ... × (1 − P ) × P × (1 − P ) × ... × (1 − P ) × P × (1 − P ) × ... × (1 − P ) = P 2 × (1 − P )
n−2
2
Il existe exactement C n combinaisons de n bascules dont 2 ont la probabilité P et
(n-2) la probabilité (1-P). Finalement, la probabilité d’avoir 2 SEU sur un bit est de :
P(2SEU ) = C n2 × P 2 × (1 − P )
n−2
En généralisant la formule, la probabilité qu’un bit subisse i SEU le long d’un registre
de longueur n est :
65
P (i SEU ) = C ni × P i × (1 − P )
n −i
Si l’on veut compter correctement le nombre de SEU qui se produisent, il est
intéressant d’avoir P(i SEU) presque nul pour i>1, tout en ayant P(1 SEU) le plus grand
possible. La Figure V-5 montre la probabilité qu’une seule erreur se produise sur un bit.
Si, par exemple, la probabilité d’avoir un SEU sur une bascule est de 2%,
statistiquement, un SEU se produira toutes les 50 bascules. Un registre de 10 bascules
aura une probabilité assez faible d’avoir une erreur alors qu’un registre de 50 bascules
aura la probabilité maximale d’avoir un seul SEU par bit. Si on continue d’augmenter la
longueur du registre, la probabilité qu’un second SEU vienne annuler l’inversion du 1er
SEU augmente, et la probabilité de voir une erreur en sortie redescend. Il existe ainsi
une zone en rouge sur le graphe qui correspond aux paramètres n et P optimisés pour
observer une erreur en sortie des registres en cas de SEU. La zone de faible probabilité
en bas à gauche du graphe est due à un nombre trop faible de SEU, tandis que la zone
de faible probabilité en haut à droite du graphe est due aux doubles SEU sur un même
bit qui réduisent la visibilité des erreurs.
Figure V-5 : Probabilité que se produise un seul SEU sur un bit en fonction de P et de n
Pour choisir n correctement, il est important d’évaluer P. Les tests sur des CI Actel
SX-A décrits dans III.B.2 ont mis en évidence une section efficace σ<1,5.10-15 cm2.bit-1
[35], avec des protons d’énergie 70MeV.
Le nombre de SEU que nous pouvons espérer observer avec 2012 bascules et un
flux de protons de 5.108 cm-2.s-1 (maximum au PSI) est :
Nb SEU = 1,5 × 10−15 × 5 × 108 × 2012 ≅ 1,5 × 10−3 err.s −1
par FPGA
soit un taux maximum d’une erreur toutes les 11 minutes.
Une fréquence de fonctionnement normale de la puce est 10MHz. On peut ainsi
évaluer P :
66
P = 1,5 × 10−3 ×
1
= 7,4 × 10−14 SEU.Clk −1
7
10 × 2012
par bascule
Une probabilité aussi faible ne peut pas être compensée par la valeur de n. Les bits
subissant 1 seul SEU seront rares (7,4.10-12 par cycle d’horloge) mais resteront
largement majoritaires aux multiples SEU. Nous pouvons calculer par exemple le
rapport entre la probabilité qu’un bit ait 1 seul SEU et la probabilité qu’il en ait 2 :
P(1 SEU )
n × P × (1 − P )
2
1− P
=
=
×
≈ 2,7 × 1011
P(2 SEU ) n(n − 1) × P 2 × (1 − P )n − 2 n − 1
P
2
n −1
Il devrait y avoir 270 milliards fois plus d’erreurs simples que doubles. Le problème
sera donc l’obtention d’un nombre suffisant d’erreurs simples (plutôt que d’éviter les
erreurs multiples).
Trois longueurs de registres seront tout de même programmées pour étudier
d’éventuelles dispersions (Tableau V-1) :
Tableau V-1 : Nombres et longueurs des registres programmés dans la puce. Toutes les R-Cells
sont utilisées
Une première série de tests sera réalisée à la fréquence constante 1MHz. Si le
nombre d’erreurs observées est trop faible, il sera possible de diminuer la fréquence
pour augmenter la sensibilité aux SEU.
V.B. Support du CI
Des supports spéciaux pour programmer des CI ont été achetés et modifiés
(perçage) pour correspondre à nos besoins. Ces supports sont à force d’insertion nulle
et permettent de tester des CI sans avoir à les souder.
Ces supports sont en deux parties (Figure V-6) :
Figure V-6 : Parties inférieure et supérieure du support percé
67
-
la base sur laquelle vient se poser le CI qui se soude sur la carte électronique.
Elle a été percée pour laisser passer le système de chauffage qui vient se
plaquer sur la face de dessous du FPGA,
-
la partie supérieure qui vient bloquer la puce en se fixant sur la base par 4 vis.
Elle a été percée pour laisser passer le faisceau de photons lors de l’irradiation
aux rayons X.
Une fois monté, le système permet d’accéder au FPGA par-dessus et par-dessous
(Figure V-7).
Figure V-7 : CI ouvert par attaque chimique prêt à être testé
68
V.C. Banc de chauffage
V.C.1. Présentation
J’ai commencé par réaliser la modélisation, sous CATIA v5r12, d’un banc de
chauffage, réalisé en double exemplaire par l’atelier principal du CERN (Figure V-8).
L’élément chauffant est une cartouche cylindrique insérée dans un échangeur de
chaleur en acier. Celui-ci vient en contact avec le CI à travers le support inférieur grâce
un système de ressort. La poignée se visse dans une bague fixée à la carte
électronique par des entretoises. Le maintien d’une position est assuré par un contre
écrou. La force de pression de la tête de l’échangeur sur le CI est la même pour tous
les tests. Il suffit de maintenir constante la distance entre la poignée à visser et le
contre-écrou (Figure V-9).
Figure V-8 : Vue en coupe du banc de chauffage (réalisée avec CATIA v5r12)
Le transfert thermique entre la tête de l’échangeur et le dessous de la puce est
facilité par de la pâte thermique. Une Pt100, prise en sandwich entre l’échangeur et le
CI, permet la régulation de la température, grâce à la caractérisation du banc de test.
69
Figure V-9 : Echangeur, ressort, poignée et contre-écrou après assemblage
V.C.2. Caractérisation
L’objectif est d’être capable de calculer la température du CI en fonction de la Pt100
placée entre l’échangeur et le CI.
Le paramètre à modéliser est l’écart entre la température de la Pt100 et celle du CI.
Pour caractériser le banc de chauffage, il m’a fallu mesurer directement la température
sur le CI ouvert avec une deuxième Pt100.
Deux paramètres faisant varier cet écart sont à prendre en compte :
la température que l’on désire atteindre
la puissance dissipée par le CI.
La tension d’alimentation étant toujours de 5V, la puissance dissipée est directement
proportionnelle au courant de consommation. J’ai utilisé une puce déjà irradiée et
consommant 1A (maximum de l’alimentation). J’ai pu ainsi faire des mesures à
différents courants de consommation en limitant le courant de la source.
Pour mener ces tests, j’ai utilisé les plans d’expérience, avec 2 facteurs et 2 niveaux
pour chaque facteur.
Le facteur1 (X1) est la température et prend les valeurs 40°C et 80°C.
Le facteur2 (X2) est la puissance et prend les valeurs 0W et 5W.
L’équation polynômiale du modèle est de la forme :
Y = a0 + a1 ⋅ X 1 + a2 ⋅ X 2 + a12 ⋅ X 1 ⋅ X 2
70
a0 est en fait la moyenne des écarts, a1 et a2 sont les effets de la température et de
la puissance respectivement et a12 est l’effet de l’interaction entre ces 2 facteurs.
L’écart de température ∆T=Y=TPt100 - TCI est donné dans le Tableau V-2 pour les 4
configurations possibles :
Tableau V-2 : Tableau des écarts de température pour les valeurs extrêmes des facteurs
L’écart de température est relevé dès que les températures du dessus et du
dessous du CI sont stabilisées. Le graphe suivant montre les résultats expérimentaux
obtenus pour ces 4 tests (Figure V-10) :
8
Ecart dessus/dessous
7
6
Delta T [°C]
5
80°C - 0W
40°C - 0W
4
80°C - 5W
40°C - 5W
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Temps [s]
Figure V-10 : Evolution des écarts de température pendant le chauffage
On peut construire la matrice d’expériences en variable naturelle (Tableau V-3) :
Tableau V-3 : Récapitulatif des essais avec les variables naturelles (grandeurs physiques)
71
Puis en variable réduite en ajoutant les colonnes de la moyenne et de l’interaction
(Tableau V-4) :
Tableau V-4 : Tableaux de calcul des effets de la moyenne, des facteurs et des interactions
Pour un essai (une ligne du tableau), les coefficients dans la colonne d’interaction
12 sont obtenus par le produit des coefficients des facteurs X1 et X2.
Par exemple pour l’essai 1, le coefficient de l’interaction vaut (-1)*(-1)=1.
Le tableau des niveaux en dessous rappelle pour chaque facteur la correspondance
entre les variables naturelles et les variables réduites.
Le calcul de l’effet d’un facteur dans le dernier tableau est égal à la somme des
produits des coefficients de ce facteur par la réponse Y, le tout divisé par le nombre
d’expériences :
Par exemple pour la température (X1) qui a pour effet a1 :
(− 1) × 1.9 + (− 1)× 1.1 + 1 × 6.9 + 1 × 5.7 = 2,4
1 4
a1 = ∑ CoeffTemp (i ) × Y (i ) =
4 i =1
4
La moyenne se calcule par la somme de toutes les réponses Y divisée par le
nombre d’expériences. C’est pourquoi tous ses coefficients sont à 1.
Une fois les effets calculés, on peut les intégrer dans l’équation polynômiale :
Y = 3,9 + 2,4 ⋅ X 1 − 0,5 ⋅ X 2 − 0,1 ⋅ X 1 ⋅ X 2
Les variables réduites X1 et X2 se calculent à partir des variables naturelles par une
règle de 3 (Figure V-11).
Figure V-11 : Passage des variables naturelles aux variables réduites
Par exemple pour la température : X1(50°C)= (50-60)/20=-0.5
72
L’équation polynômiale peut directement se récrire à partir des variables naturelles T
(température en °C) et P (puissance en Watts) :
 T − 60 
 P − 2.5 
 T − 60   P − 2.5 
∆T = Y = 3,9 + 2,4 ⋅ 
 − 0,5 ⋅ 
 − 0,1⋅ 
⋅

 20 
 2 .5 
 20   2.5 
Pour vérifier si ce modèle correspond bien au système, on peut calculer des valeurs
intermédiaires et les vérifier expérimentalement. Dans le Tableau V-5, on retrouve les 4
écarts de température précédemment mesurés.
Tableau V-5 : Résultats donnés par l’équation polynômiale à partir des variables réduites
indiquées dans le tableau
Quelques tests supplémentaires ont confirmé la linéarité des effets de la
température du CI et de la puissance dissipée (Tableau V-6) :
Tableau V-6 : Résultats des tests expérimentaux
Ce modèle est donc utilisé lors des irradiations pour évaluer la température du CI en
fonction de la température du capteur Pt100 placé en dessous. Pour élever le CI à une
température T, il faut maintenir le capteur Pt100 à la température T+∆t, ∆t variant
continuellement en fonction du courant consommé par le FPGA.
73
V.D. Carte électronique
Une carte électronique a été réalisée pour tester les CI. Les entrées/sorties
numériques sont déployées sur des connecteurs SCSI 50 pins en périphérie de la carte.
Des régulateurs de tension permettent d’alimenter le CI avec différentes tensions. La
carte est aussi équipée de 3 horloges à quartz (10, 20 et 40 MHz) et d’une connexion
pour une horloge externe.
Comme le support inférieur, elle est percée en son centre pour laisser passer le
système de chauffage (Figure V-12).
Figure V-12 : Carte électronique (PCB) pour le CI. Le support est soudé au centre.
4 trous percés aux angles permettent d’installer des pieds pour laisser la place au
système de chauffage et maintenir la stabilité de l’ensemble (Figure V-13).
74
Figure V-13 : Banc de chauffage fixé à la carte
Une plaque en acier, fixée à la carte par des entretoises, est plaquée sur le dessus
pour relâcher les tensions sur les pattes soudées de la base du support du CI (Figure
V-14).
Figure V-14 : Carte électronique avec support du FPGA
75
La Figure V-15 montre le banc de test pour la première version.
Figure V-15 : Banc de test
V.E. Présentation du banc de test
Les tests ont été effectués sur 2 versions de CI appelées FPGA4 et FPGA8. Les
bancs de test pour ces versions ont quelques différences de connexions.
V.E.1. Pour la version FPGA4
Le schéma du banc de test est décrit sur la Figure V-16.
76
Figure V-16 : Vue schématique du banc de test pour FPGA4
On dispose du matériel suivant :
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1 PCB (avec CI + support et système de chauffage)
1 PC avec 2 cartes PCI :
Carte DIO32HS (32 voies, horloge intégrée)
Carte GPIB
1 Ke2400 (alimentation de la cartouche chauffante)
1 Ke2400 (alimentation du CI et mesure du courant de consommation)
1 Multimètre PREMA 5017 (scanner)
1 câble DIO NI 68 pins
1 câble 68pins / 2 connecteurs SCSI 50 pins
3 câbles GPIB
La cartouche est alimentée par une source KEITHLEY 2400, limitée en courant pour
moduler la puissance fournie à la cartouche et donc la température finale appliquée au
CI.
La mesure 4 fils de la température (Pt100) est assurée par un multimètre PREMA
5017 équipé d’un scanner pour lire plusieurs capteurs.
Un programme (développé sous LabVIEW 7.1) commande les 2 KEITHLEY et le
PREMA par GPIB pour assurer la régulation.
La mesure du courant de consommation du CI se fait directement avec le
KEITHLEY qui sert à l’alimenter. L’acquisition des valeurs de courant se fait par GPIB.
L’acquisition des bits de sortie des registres du CI est assurée par des
connecteurs SCSI 50 pins soudés sur le PCB. Un câble conçu pour passer de ces
connecteurs à un connecteur SCSI 68 pins permet de faire la liaison avec la carte DIO
à 32 voies de chez National Instruments.
77
V.E.2. Pour la version FPGA8
Le schéma du banc de test est le suivant (Figure V-17) :
Figure V-17 : Vue schématique du banc de test pour FPGA8
La principale différence avec FPGA4 réside dans la modification de la carte DIO du
PC. Il s’agit d’une carte de 96 voies numériques basique, sans horloge, puisque le
FPGA utilise directement les horloges du PCB.
3 connecteurs du PCB sont utilisés. Un pour les entrées des registres, un deuxième
pour les sorties et le troisième pour le contrôle des communications entre PC et FPGA.
Le banc de test ainsi réalisé est fonctionnel. Il sera transporté dans les salles
d’irradiations pour réaliser les tests décrit dans les chapitres suivants.
78
79
C
CH
HA
AP
PIITTR
RE
EV
VII
TESTS SOUS RAYONS X DES CI VERSION FPGA 4
_________ ____ _________ ____ _________ ____ ______
80
Résumé du CHAPITRE VI :
Le programme VHDL (dans le CI) de la version FPGA4 est constitué de registres à
décalage de différentes longueurs. L’acquisition et le contrôle sont assurés par un
programme LabVIEW. Tout le système fonctionne à la même fréquence de 1MHz, donnée
par l’horloge de la carte numérique d’acquisition de National Instruments (en PCI).
Les patterns (données binaires envoyées aux registres) utilisés ne sont pas
aléatoires mais ont été choisis pour éviter des erreurs qui apparaissent bien que les CI
ne soient pas irradiés. La probabilité d’apparition de ces erreurs à un temps donné
augmente avec le nombre de registres qui changent d’état. C’est la raison pour laquelle
j’ai utilisé un pattern « 1 front », pour lequel une seule entrée de registre change d’état à
chaque coup d’horloge.
Les tests ont été réalisés de manière à pouvoir y appliquer des plans d’expérience. 4
tests aux limites ont été menés pour modéliser le comportement d’un CI en fonction des
2 facteurs : température et débit de dose.
Le comportement est toujours le même. Le courant augmente et finit par former un
pic très raide, accompagné de la panne fonctionnelle. Le courant continue d’augmenter
jusqu’à la fin de l’irradiation (Figure VI-5).
Un moment après l’irradiation, toujours en maintenant la température et le
fonctionnement du CI, les erreurs disparaissent progressivement et le CI se remet à
fonctionner correctement, bien que le courant de consommation reste élevé. Les
registres les plus courts sont un peu plus rapides à retrouver leur fonctionnement
normal.
Les plans d’expérience sont alors utilisés pour prévoir la dose intégrée à laquelle la
panne fonctionnelle apparaît, en fonction de la température et du débit de dose.
L’équation donnée permet de modéliser le comportement des CI dans la zone des tests
aux limites, à condition que l’influence des facteurs soit linéaire.
81
VI.A. Introduction
Dans les tests décrits dans ce chapitre, les CI sont programmés avec la version
FPGA4 du code VHDL. L’objectif de la version 4 est d’avoir un programme simple
permettant d’écrire des données dans le CI puis de les récupérer après un laps de
temps plus ou moins long. La structure la plus basique est le registre à décalage. Pour
qu’un bit de donnée reste un certain nombre de coups d’horloge dans le CI, il suffit de
jouer sur la longueur du registre. C’est pourquoi 3 longueurs de registres ont été
choisies. Pour pallier à la limite de 32 voies numériques sur la carte DIO, le nombre de
registres créés s’élève à 15 (15 entrées, 15 sorties plus le reset).
L’organisation de la mémoire est donnée dans le Tableau VI-1 :
Tableau VI-1 : Nombres et longueurs des registres dans le CI
Les tests ont montré que la longueur des registres n’a pas d’importance sur les
statistiques. C’est pourquoi les courbes des erreurs ne prennent en compte que la
somme de toutes les erreurs sur tous les registres. Les patterns utilisés ne sont pas
aléatoires mais ont été choisis pour éviter des erreurs qui apparaissent bien que les CI
ne soient pas irradiés. La probabilité d’apparition de ces erreurs à un temps donné
augmente avec le nombre de registres qui changent d’état. C’est la raison pour laquelle
j’ai utilisé un pattern « 1 front », pour lequel un seul registre change d’état à chaque
coup d’horloge. Avec ce pattern, plus aucune erreur indésirable n’apparaît. Ce pattern
est envoyé et récupéré en sortie du CI toutes les secondes. Les données transitent à
une vitesse d’horloge de 1MHz sur les 15 voies en parallèle, qui est la fréquence à
laquelle tout le système fonctionne, du FPGA au programme LabVIEW.
Les rayons X utilisés ont une énergie principale de 10keV. Il est possible de régler le
débit de dose en jouant sur 3 paramètres de la machine à rayons X (Tableau VI-2 et
Tableau VI-3) :
-
la tension d’alimentation (30kv à 60kV),
le courant utilisé pour émettre les photons (de 5mA à 60mA),
la distance entre la sortie du faisceau et la cible (le CI).
Tableau VI-2 : Paramètres de l’irradiation pour le débit de dose faible D1
82
Tableau VI-3 : Paramètres de l’irradiation pour le débit de dose élevé D2
Avant les irradiations, les FPGA ont des courants de consommation compris entre
50mA et 60mA. Chaque test nécessite un nouveau circuit.
VI.B. Structure du CI
Le CI est composé de 15 structures appelées SR (Shift Register) qui prennent en
paramètre le nombre de bascules D qu’elles contiennent. La Figure VI-1 représente
l’intérieur du CI.
Figure VI-1 : Schéma de la structure interne de FPGA 4
Tout l’ensemble du CI fonctionne de façon synchrone avec le programme LabVIEW
sur l’horloge de la carte DIO. Les détails sur le code VHDL sont donnés dans l’ANNEXE
1.
83
VI.C. Programme LabVIEW
La Figure VI-2 montre la face avant du programme d’acquisition que j’ai réalisé.
Figure VI-2 : Face avant du programme principal de test (version 4)
Le programme crée un pattern « 1 front » adapté au nombre de registres que l’on
souhaite tester et le récupère à la sortie. Il prend ensuite en compte les longueurs des
différents registres pour comparer les entrées aux sorties et affiche en temps réel le
nombre d’erreurs détectées. Un graphe permet de suivre l’évolution des différents
paramètres. Le « Front Panel » du programme ci-dessus est constitué de 4 cadres,
décrits ci-après.
84
VI.C.1. Cadre « FPGA »
C’est la partie qui gère les transferts de données entre la carte DIO 32HS du PC et
le CI. Elle permet de :
régler l’alimentation via le GPIB
fixer le nombre de voies testées
donner la fréquence à laquelle le CI et le programme LabVIEW doivent
fonctionner
indiquer la période à laquelle l’ensemble de la mémoire est lue.
Ce cadre renseigne aussi sur la longueur du pattern créé, le nombre de fois qu’il a
été envoyé, et le nombre d’erreurs de lecture.
Dans les tests qui suivent, les patterns contiennent 16384 valeurs sur les 15
registres, la fréquence est de 1MHz et la période de lecture est de 1 seconde.
Le bouton « FPGA Control » contrôle la mise en route de l’alimentation. Une fois
actionnés, les boutons « Start » et « Pause » permettent de mettre en marche et
d’arrêter les transferts de données sans couper l’alimentation.
VI.C.2. Cadre « Régulation »
Cette partie gère le contrôle GPIB du KEITHLEY 2400 qui alimente la cartouche
chauffante. Il est possible de donner un intervalle à la tension appliquée et de limiter le
courant.
Pour la régulation elle-même, il faut fournir la température souhaitée, la période des
mesures de température, et les paramètres du PID qui stabilisent la température du CI.
Comme pour la partie FPGA, les boutons « Start » et « Pause » donnent la
possibilité d’arrêter et de démarrer à tout moment, sans gêner et sans avoir à stopper le
reste du programme.
VI.C.3. Cadre « Capteur »
Ce sont d’une part les paramètres pour le contrôle du GPIB du PREMA 5017, et
d’autre part les données sur les capteurs de température qui permettent de configurer le
PREMA.
VI.C.4. Cadre « Excel »
Cette partie permet de sauvegarder toutes les mesures dans un fichier Excel.
Les vi qui réalisent l’interface entre LabVIEW et Excel, aussi bien en lecture qu’en
écriture, ont fait l’objet d’un développement important et sont décrits plus précisément
dans l’ANNEXE 4. Cette annexe est en fait le manuel d’utilisation que j’ai joint à la
bibliothèque de vi.
Je les ai mis à disposition sur le site du CERN (version1.0) :
http://itcofe.web.cern.ch/itcofe/Services/LabView/UserProjects/welcome.html.
La version actuelle est la 2.0 et comprend une palette de 38 vi (Figure VI-3). Elle est
disponible sur mon site : http://stephane.gabourin.free.fr.
85
Figure VI-3 : Palette de vi Excel de la version 2.0
Ceux-ci sont organisés en différentes catégories, comme indiquées sur la Figure
VI-3 :
1) Manipulation des fichiers Excel (workbooks),
2) Manipulation des feuilles de calcul (worksheets) et de graphes (Charts),
3) Ecriture et lecture des données dans les worksheets et mise en forme des
cellules,
4) Création de graphiques,
5) Importation et exécution de macros en Visual Basic,
6) Manipulation des objets « range » pour référencer plusieurs groupes de cellules
et leur appliquer la même opération (de mise en forme par exemple),
7) Sous menu d’outils, le seul actuel permettant de compter les cellules non vides
d’une ligne ou d’une colonne.
VI.D. Résultats des tests
VI.D.1. Introduction
L’objectif étant de modéliser le comportement des CI, et ne disposant que d’un
nombre limité de circuits, j’ai utilisé la méthode des plans d’expérience. Tout comme
pour la caractérisation du banc de chauffage, il s’agit de déterminer un paramètre à
modéliser ainsi que les différents facteurs qui peuvent rentrer en compte dans les
variations de ce paramètre. Le paramètre à modéliser est la dose cumulée dans le CI
(en krad) dès l’apparition des erreurs de lecture. Pour modéliser ce paramètre, 2
facteurs sont pris en compte :
86
-
la température en °C,
le débit de dose en radSiO2.s-1,
Chacun de ces facteurs a un niveau bas et un niveau haut, ce qui correspond à 4
tests (Figure VI-4) :
Figure VI-4 : Les 4 tests aux limites des 2 facteurs
T (température) et D (débit de dose) sont les 2 facteurs et 1 et 2 sont les niveaux
bas et haut. Par exemple, T1 est le niveau bas de la température soit 35°C.
Il est important de prendre les valeurs min et max pour chaque facteur car l’équation
du comportement n’est valable pour l’intérieur du carré.
Sur les 4 graphiques décrits plus loin, jusqu’à 6 courbes sont tracées.
-
Rad [krad] : c’est la dose cumulée dans le CI. Celle-ci augmente régulièrement.
C’est donc une droite affine qui plafonne à différentes doses totales suivant les
tests.
-
Tchip [°C] : Température du CI maintenue soit à 35°C, soit à 70°C.
-
Current [mA] : Il s’agit de la consommation de courant du CI.
-
Read errors [%] : courbe de la somme de toutes les erreurs de lecture. Elle est
exprimée en %.
-
Errors 32 [%] : Cumul des erreurs des registres 32 bits (exprimé en %)
-
Errors 128 [%] : Cumul des erreurs des registres 128 bits (exprimé en %)
Le registre de 892 bits étant particulièrement sensible aux erreurs même sans
radiations, il n’a pas été utilisé lors des 4 derniers tests.
J’ai mené 9 tests d’irradiation en trois fois. Globalement, le comportement des CI est
le suivant :
-
Augmentation du courant de consommation jusqu’à faire un pic.
87
-
Au pic, toutes les sorties du CI passent à ‘0’ (100% d’erreurs). Le courant
continue d’augmenter.
-
A la fin de l’irradiation, le courant commence à diminuer instantanément.
-
Plus tard, les erreurs commencent à diminuer, différemment suivant la longueur
des registres. Parallèlement, le courant se remet à augmenter.
-
Les erreurs tombent net à 0 (le CI fonctionne normalement) et le courant chute
d’un coup. Il reste cependant bien supérieur à sa valeur initiale.
Ces étapes sont décrites dans le graphe suivant (Figure VI-5) :
Figure VI-5 : Comportement des CI (FPGA4) sous radiation
Les tests suivants n’ont pas tous mis ce schéma de comportement en avant à cause
d’erreurs du programme, d’enregistrements incomplets, ….
VI.D.2. Graphes
Les graphes sont donnés dans l’ordre de numérotation des points sur le carré des
tests aux limites (Figure VI-4).
Point 1 (T1-D2) (Figure VI-6) :
Le CI a été irradié à 35°C et jusqu’à une dose totale (TID : total ionizing dose) de
610krad (6.1kGy) (Figure VI-6).
Pour ce test comme pour le suivant, une erreur dans le programme a stoppé
l’acquisition des valeurs de courant et de température. Il reste cependant les erreurs qui
sont soudainement apparues à une dose cumulée de 319krad. Ce pont marque la
panne fonctionnelle du CI.
88
Cette panne correspond en fait à toutes les sorties du CI qui tombent au niveau
logique ‘0’, ce qui conforte l’hypothèse d’une tension Vpump trop faible pour permettre
aux signaux de transiter.
En laissant le CI fonctionner après l’irradiation, aucun changement n’est apparu
dans le comportement (toujours 100% d’erreurs).
Figure VI-6 : Point 1 : T1=35°°C et D2=157rad/sec
Point 2 (T1-D1) (Figure VI-7) :
Le CI a été irradié à 35°C et jusqu’à une TID de 830krad (8.3kGy) (Figure VI-7).
A un débit de dose plus faible (D1 au lieu de D2), les erreurs montent aussi
brusquement à 100% qu’avec un fort débit. Dans ce test, elles surviennent à une dose
de 448krad.
Le plus intéressant est la récupération des fonctionnalités du CI qui commence 3 à 4
heures après la fin de l’irradiation. A partir de ce point, la longueur des registres joue un
rôle. Bien que le nombre d’erreurs commence à diminuer au même moment, les
registres les plus courts (32bits) sont plus rapides à récupérer.
Cependant, la récupération totale survient d’un coup pour tous les registres, 21h
après le début des erreurs et 14h après la fin de l’irradiation.
Point 3 (T2-D1) (Figure VI-8) :
Le CI a été irradié à 70°C et jusqu’à une TID de 1Mrad (10kGy) (Figure VI-8). Une
coupure de courant l’a stoppé pendant quelques heures. Le CI n’étant pas en
fonctionnement pendant cette coupure, sa récupération a été faible. Le graphe de ce
point commence donc à une dose cumulée de 368krad.
89
Figure VI-7 : Point 2 : T1=35°°C et D1=15rad/sec
Le pic de courant a lieu à la dose de 427krad. Ce pic serait dû au courant créé par le
montage totem pôle (ou montage à charges actives) présent dans les modules
logiques, à cause de la diminution de la tension de pompage de charges Vpump (cf.
IV.A.5.a). Les erreurs surviennent en 2 coups, le premier étant au début du pic.
La différence de comportement par rapport au point 2 (température basse) se situe
lors du retour progressif du fonctionnement du CI. Les taux d’erreur des registres 32
bits diminuent plus tôt et plus vite que pour les registres 128bits (un peu avant même
que le courant augmente de nouveau).
Le retour brutal du fonctionnement sans erreurs est accompagné d’une chute de
courant de près de 400mA.
Point 4 (T2-D2) (Figure VI-9) :
Le CI a été irradié à 70°C et jusqu’à une TID de 1Mrad (10kGy). Sur ce test, tout a
bien été enregistré (Figure VI-9).
Les rayons X font augmenter le courant de façon exponentielle avec un pic de
hauteur 300mA. Il est accompagné de la panne fonctionnelle du CI, à une dose de
296krad.
A cette température, avec un débit de dose plus fort que pour le point 3, le pic de
courant est moins important mais le courant de fin d’irradiation monte à 700mA (contre
430mA).
Le comportement des erreurs est le même que celui du point 3.
90
Figure VI-8 : Point 3 : T2=70°°C et D1=15rad/sec
Figure VI-9 : Point 4 : T2=70ºC et D2=157rad/sec
92
VI.E. Plans d’expérience
Le paramètre Y à modéliser est la dose cumulée dans le CI (en krad) dès
l’apparition des erreurs de lecture.
Les 2 facteurs considérés sont :
la température en ºC,
le débit de dose en radSiO2.s-1,
Leurs valeurs extrêmes sont (Tableau VI-4) :
Tableau VI-4 : Paramètres des plans d’expérience pour FPGA 4
A partir des tests précédents, il est possible de construire la matrice
d’expériences en variables naturelles (Tableau VI-5) :
Tableau VI-5 : Dose cumulée pour les 4 tests des plans d’expérience de FPGA 4
L’équation polynômiale du modèle est de la forme :
Y = a 0 + a1 ⋅ X 1 + a 2 ⋅ X 2 + a12 ⋅ X 1 ⋅ X 2
La matrice d’expériences en variables réduites est (Tableau VI-6) :
Tableau VI-6 : Calcul des coefficients de l’équation des plans d’expérience pour FPGA 4
93
On obtient l’équation polynômiale suivante
Y = 372,5 − 11× X 1 − 65 × X 2 − 0,5 × X 1 × X 2
Prenons les effets séparément :
Pour la moyenne (a0), la valeur est de 372,5krad. Il s’agit de la moyenne dans le
carré défini par les 4 points.
Nous pouvons observer que le débit de dose a un effet (coefficient de X2=65) 6
fois plus important que la température (coefficient de X1=11) sur la dose à laquelle se
produit la panne fonctionnelle.
De plus, dans la réalité, la température restera dans les limites de ces plans
d’expérience, tandis que le débit de dose sera beaucoup plus faible que D1 : les
1Mrad seront accumulés sur 20 ans, soit un débit près de 10000 fois moindre. C’est
pourquoi, même si la température a un effet moindre lors de mes tests, il est
important de la prendre en compte pour représenter au mieux le comportement des
CI dans le tunnel du LHC.
Quant à l’interaction entre la température et le débit de dose, elle reste
négligeable. Ces 2 facteurs peuvent être considérés comme indépendants.
94
95
C
CH
HA
AP
PIITTR
RE
EV
VIIII
TESTS SOUS RAYONS X DES CI VERSION FPGA 8
_________ ____ _________ ____ _________ ____ ______
96
Résumé du CHAPITRE VII :
Le programme VHDL (dans le CI) de la version FPGA8 est similaire à celui de FPGA4, si ce
n’est que les 15 registres ont la même longueur de 128 bits.
L’acquisition et le contrôle sont assurés par un programme LabVIEW qui réalise les mêmes
tâches. Pour cette version, l’horloge choisie est celle de la carte électronique sur laquelle est
installé le FPGA. Celle-ci tourne à la fréquence de 10MHz (ou 40MHz), comme les cartes qui
sont installées dans le tunnel.
Le CI se comporte comme une mémoire qui contient 128 valeurs (1 valeur comporte 15
bits=nombre de registres), qui tournent en boucle dans les registres (Figure VII-1).
Le programme LabVIEW vient maintenant écrire et lire dans la mémoire de façon
asynchrone. Seul le FPGA fonctionne à la vitesse de l’horloge à quartz de la carte.
Les tests ont été réalisés de manière à pouvoir y appliquer des plans d’expérience. 8 tests
aux limites ont été menés pour modéliser le comportement d’un CI en fonction des 3 facteurs
(Figure VII-3) :
-
température
-
débit de dose
-
fréquence du CI
Le comportement est similaire à celui des FPGA de la version 4 : augmentation du courant
qui forme un pic très raide, accompagné de la panne fonctionnelle. Le courant continue
d’augmenter jusqu’à la fin de l’irradiation (Figure VII-4).
Un moment après l’irradiation, toujours en maintenant la température et le fonctionnement
du CI, les erreurs disparaissent progressivement et le CI se remet à fonctionner correctement,
bien que le courant de consommation reste élevé.
Ces tests ont mis en évidence des circuits qui tiennent bien plus longtemps que d’autres
dans les mêmes conditions. Pour avoir une modélisation plus propre, j’ai choisi comme
paramètre à déterminer l’intervalle de temps ∆t entre l’augmentation de 10% du courant de
consommation et le pic de courant (panne fonctionnelle).
Les plans d’expérience sont utilisés pour prévoir la dose intégrée à laquelle la panne
fonctionnelle apparaît, en fonction de la température, du débit de dose et de la fréquence.
L’équation donnée permet de modéliser le comportement des CI dans la zone des tests aux
limites. L’objectif est d’extrapoler en dehors de l’espace des plans d’expérience, vers les
débits de dose très faibles à l’aide d’un paramétrage adéquat.
Pendant les tests aux rayons X, j’ai aussi tenté de mettre en évidence l’influence de la
tension Vpump dans la tenue aux radiations, sans obtenir cependant de résultats probants.
97
VII.A. Introduction
Il était important pour cette version de faire circuler un pattern aléatoire dans les
registres à décalage afin d’obtenir un comportement du CI qui ne dépende pas d’un
pattern choisi. Le but de cette nouvelle version était de faire fonctionner le CI à une
fréquence typique (au moins 10MHz) avec un pattern aléatoire tout en évitant les
erreurs de communication et de synchronisation avec le PC, comme dans la version
4. Un protocole de communication a donc été mis en place pour lire et écrire de
façon asynchrone dans la mémoire du CI. Le PC gère cette communication à sa
propre vitesse à l’aide de drapeaux (« flags »). En parallèle, l’horloge du CI
fonctionne indépendamment du PC grâce aux horloges à quartz de la carte
électronique (de 10 à 40MHz). Le CI n’est plus considéré comme un certain nombre
de registres à décalage mais plutôt comme une mémoire sous forme d’un tableau,
avec la possibilité d’écrire dans un emplacement précis. C’est pourquoi les registres
possèdent tous la même longueur. La structure de cette version 8 est basée sur 15
registres de 127 bits de long.
VII.B. Structure du CI
Le CI est composé de 15 structures identiques (SR_MUX) (Figure VII-1).
Chacune contient un registre à décalage (SR) de 127 bascules D (chaque bascule
occupe une R-Cell de la mémoire). Un multiplexeur (MUX_W) est inséré avant SR
pour permettre de choisir entre faire tourner le registre sur lui-même (entrée a) ou
insérer une nouvelle valeur (entrée b). Le choix est donné par la valeur de sel_W
(0→a et 1→b). Ce multiplexeur est synchrone car il est branché sur l’horloge du CI.
Un bit a donc besoin de 128 coups d’horloge pour faire le tour entier de la mémoire.
Le deuxième multiplexeur (MUX_R) est placé en sortie mais en dehors de la
boucle où transitent les bits. Il ne rajoute donc pas un temps d’horloge comme
MUX_W. MUX_R permet de récupérer une valeur à un emplacement mémoire précis
et de la conserver en sortie jusqu’à ce qu’une autre valeur soit demandée. Le choix
est donné par la valeur de sel_R.
Un compteur interne au CI (variable COMPTEUR sur 7 bits=128 possibilités) est
incrémenté à chaque coup d’horloge. A chaque fois qu’un bit atteint la sortie de SR,
le compteur contient sa position en mémoire. A cet instant, la valeur du bit est
présente à la fois sur l’entrée « a » de MUX_W et sur l’entrée « b » de MUX_R.
•
•
Si, à cet instant, sel_W vaut « 1 », l’entré « IN » se connecte sur l’entrée de SR et
la valeur de « IN » écrase le bit. C’est l’opération d’écriture à la position spécifiée
par le compteur.
Si, toujours au même instant, sel_R vaut « 1 », la valeur du bit va se retrouver
dans « OUT » et sera disponible à la sortie du FPGA. C’est l’opération de lecture
à la position spécifiée par le compteur.
Lorsqu’on désire lire ou écrire dans le CI, il faut au préalable spécifier la position
concernée (variable POSITION sur 7 bits=128 possibilités). Celle-ci est comparée à
la valeur du compteur. Lorsqu’il y a égalité, en fonction de la valeur des drapeaux du
protocole de communication, sel_W ou sel_R passe à « 1 » et exécute la demande.
98
Pour favoriser l’apparition des erreurs uniquement dans la mémoire (SR_MUX),
les opérations de lecture et d’écriture de la position reposent sur une logique
tripliquée. POSITION et COMPTEUR sont en trois exemplaires dans le FPGA et un
système de vote permet de supprimer une erreur qui surviendrait sur une des
valeurs.
Pour plus de détails sur le protocole et sur le code VHDL, référez-vous à
l’ANNEXE 2.
Figure VII-1 : Schéma de la structure interne de FPGA 8
VII.C. Programme LabVIEW
La Figure VII-2 montre la face avant du programme d’acquisition de FPGA 8,
assez proche de celle de FPGA 4
L’interface entre le CI et le PC est réalisée par un programme développé sous
LabVIEW 8.2. Sur le « Front Panel » ci-dessus comme dans le code (« Block
Diagram »), le programme est divisé en 2 parties indépendantes : la régulation et la
gestion des données numériques.
99
Figure VII-2 : Face avant du programme principal de test (version 8)
D’un côté, la régulation assure le maintien de la température du CI grâce à
l’équation des plans d’expérience modélisant le banc de chauffage. C’est aussi cette
partie qui mesure le courant de consommation du CI car ce dernier est nécessaire
pour évaluer la puissance que doit fournir la cartouche chauffante.
D’un autre côté, la gestion des données numériques assure la communication
entre le PC et le CI, incluant l’écriture et la lecture des registres à décalage.
100
Lors du lancement d’un test, les parties « régulation » et « données » sont
lancées indépendamment.
La régulation amène le CI à la température souhaitée et la régule principalement
en fonction des fluctuations du courant.
La partie gérant les données crée un pattern aléatoire de 15*127 bits puis l’utilise
pour remplir la mémoire du CI. Ce pattern va tourner en rond à 10MHz ou 40MHz
dans le CI et le programme va se contenter de le lire de façon séquentielle en terme
de position dans la mémoire.
Lorsqu’une erreur (même d’un seul bit) est détectée dans la lecture d’une position
de 15 bits, une 2ème lecture puis éventuellement une 3ème viennent confirmer s’il s’agit
d’une erreur ponctuelle de communication (dans ce cas, la 2ème ou 3ème lecture est
correcte), ou bien d’une erreur due à l’effet de dose des rayons X (l’erreur reste à
toutes les lectures).Si l’erreur est répétée les trois fois, le programme écrit à nouveau
la bonne valeur dans la mémoire. Cette erreur est appelée « erreur de lecture ».
Un 2ème type d’erreur existe pour cette version du CI : l’« erreur de protocole ».
Cette erreur est enregistrée lorsque le CI n’est plus capable de confirmer par
drapeaux soit s’il a écrit dans sa mémoire, soit s’il a mis en sortie la valeur demandée
par LabVIEW. Le protocole ne fonctionne plus et la communication entre le PC et le
CI est rompue.
Une erreur de protocole est toujours accompagnée d’une erreur de lecture
(LabVIEW vérifie que la valeur de sortie est incorrecte, même sans protocole). Par
contre, une erreur de lecture peut se produire sans erreur de protocole.
L’évolution temps réel des différents paramètres mesurés (commande de
régulation, température du CI, courant de consommation du CI, erreurs de lecture et
erreurs de protocole) est reportée sur le graphe.
Afin de limiter les dégâts si une partie venait à ne plus fonctionner et par sécurité
pendant que le programme fonctionne, toutes les données sont enregistrées dans
des fichiers « .txt ». Un fichier pour la régulation, et un autre pour les données,.
Lorsque tout est stoppé, ces données sont sauvegardées directement dans un fichier
Excel, avec les vi précédemment décrits.
VII.D. Résultats des tests
VII.D.1. Introduction
Dans les tests qui suivent, 3 facteurs sont pris en compte :
-
la température du CI (T),
le débit de dose (D),
la fréquence de fonctionnement du CI (F).
J’ai donc utilisé un plan d’expérience constitué de 3 facteurs à 2 niveaux. L’étape
suivante consiste à donner des valeurs aux niveaux de chaque facteur :
101
-
Pour la température, le niveau bas choisi est de 45°C car la version 4 a
montré la difficulté à maintenir la température à 35°C lorsque la
consommation des CI s’approche d’1A. Le niveau haut est de 80°C pour
maintenir un écart important avec le niveau bas. A cette température, le CI
fonctionne encore normalement.
-
Pour le débit de dose, les niveaux bas et haut restent inchangés par rapport
à la version 4 : 15rad/s et 157rad/s respectivement. Ce sont les valeurs
limites avec une tension d’alimentation du tube à rayons X de 40kV (tension
de meilleure précision pour le débit de dose) et pour une distance constante
tube/CI de 16 cm (pour que tous les CI soient irradiés de la même manière).
Le débit dépend seulement du courant d’alimentation du tube qui va de 5mA
(niveau bas) à 60mA (niveau haut).
-
La fréquence de fonctionnement a pour niveau bas 10MHz (plus petite
valeur d’horloge du PCB) et 40MHz (plus grande valeur d’horloge du PCB).
Le Tableau VII-1 : Les trois facteurs étudiés pour FPGA 8 résume ces facteurs :
Tableau VII-1 : Les trois facteurs étudiés pour FPGA 8
Ces 3 facteurs à 2 niveaux forment un cube pour lequel les 8 sommets
correspondent à un test aux limites (Figure VII-3) :
Figure VII-3 : Les 8 tests aux limites des 3 facteurs
Les 8 tests décrits ci-après sont les tests des 8 sommets. T, D et F sont les 3
facteurs et 1 et 2 sont les niveaux bas et haut. Par exemple, D2 est le niveau haut du
débit de dose soit 157 rad/s.
Tous les CI ont été irradiés jusqu’à la même dose totale de 1Mrad.
Sur les graphiques, 5 courbes sont tracées :
102
1. Rad [krad] : c’est la dose cumulée dans le CI. Celle-ci augmente
régulièrement. C’est donc une droite qui part de 0 pour plafonner à 1000krad
soit 1Mrad (axe de gauche).
2. Tchip [°C] : Température du CI maintenue soit à 45°C, soit à 80°C.
3. Current [mA] : Le courant a un comportement similaire à celui déjà observé
avec la version 4.
4. Read errors [%] : La courbe des erreurs de lecture est aussi comparable aux
résultats donnés par la version 4.
5. Protocole errors [nbr/128] : La 5ème courbe représente les erreurs de
protocole. Son comportement est différent de celui des erreurs de lecture.
Les 8 tests d’irradiation ont un comportement proche de la version 4, mais avec
quelques renseignements supplémentaires. Les différentes étapes sont :
-
Augmentation du courant de consommation jusqu’à faire un pic
-
Au début du pic, les erreurs de lecture passent à 100%.
-
Le pic est un pic simple et étroit pour les forts débits (157rad/s). Pour les tests
réalisés à 15 rad/s, il s’agit d’une multitude de pics qui durent jusqu’à plusieurs
heures. Pendant ces pics, les erreurs de protocole augmentent de façon
exponentielle jusqu’au maximum (128) lorsque le courant se stabilise à
nouveau.
-
A la fin de l’irradiation, le courant commence à diminuer instantanément.
-
Plus tard, les erreurs de protocole commencent à diminuer et tombent assez
rapidement à 0. Parallèlement, le courant se remet à augmenter. C’est la
période de récupération. De la fin du pic de courant au début de la
récupération, le programme LabVIEW n’arrive pas à communiquer avec le CI.
-
Les erreurs de lecture tombent net à 0 (le CI fonctionne normalement),
accompagnées d’une chute de courant (qui reste cependant assez élevé). Les
erreurs de lecture sont présentes depuis le début du pic de courant jusqu’à ce
point.
Ces étapes sont décrites dans le graphe suivant (Figure VII-4).
103
Figure VII-4 : Comportement des CI (FPGA8) sous radiation
VII.D.2. Graphes des 8 tests
Les graphes sont donnés dans l’ordre de numérotation des sommets du cube.
Référez-vous à l’ANNEXE 3 pour les consulter :
Point 1 (T1-D1-F1) :
Les erreurs de lecture commencent net à une dose cumulée de 514krad au début
des pics.
Les pics de courant durent assez longtemps pour observer les erreurs de
protocole qui augmentent exponentiellement.
Le temps de récupération post irradiation est suffisamment long pour observer la
décroissance exponentielle des erreurs de protocole.
Les erreurs de lecture disparaissent d’un seul coup lors de la chute de courant.
Les erreurs (au moins de protocole) reviennent soudainement au maximum un
peu plus tard. Ces erreurs ne diminuent jamais. Il suffit cependant de couper et de
remettre l’alimentation du CI pour que celui-ci se remette à fonctionner sans erreurs.
Point 2 (T2-D1-F1) :
Début des erreurs de lecture : 507krad. La température étant plus élevée, il faut
plus de temps pour arriver à 100% des erreurs et les pics de courant s’étalent sur 3h.
La récupération du CI se fait plus rapidement après la fin de l’irradiation.
Grâce à la température et au faible débit de dose, aucun retour des erreurs n’a
été observé.
Point 3 (T2-D2-F1) :
Avec un débit de dose élevé, le pic est beaucoup plus étroit, et se produit à une
dose cumulée bien plus faible : 341krad.
La récupération post irradiation est aussi plus difficile. Les erreurs de lecture sont
presque restées à 100% avant le retour des erreurs de protocole.
104
Point 4 (T1-D2-F1) :
C’est le cas où le CI subit le plus de dommages. Les erreurs arrivent à 341krad et
le courant augmente beaucoup. Le plafond du KEITHLEY 2400 de 1A a été
rapidement atteint lors de la récupération et les erreurs de lecture n’ont pas pu
retomber à 0
Point 5 (T1-D1-F2) :
Les pics commencent à 472 krad.
A une fréquence plus élevée, le retour des erreurs de protocole intervient non pas
après mais pendant la récupération. Les erreurs de lecture ne peuvent pas retomber
à 0 lors de la chute de courant car les erreurs de protocole sont déjà au maximum.
Point 6 (T2-D1-F2) :
Le CI tient jusqu’à 566krad. A 40MHz, les pics de courant sont moins hauts et
moins larges. De la même manière, les temps de récupération sont plus courts que
pour les tests à 10MHz.
Point 7 (T2-D2-F2) :
Le pic a lieu à 341krad. Dans ce cas aussi, les erreurs de lecture n’ont pas le
temps de tomber à 0 car le retour des erreurs de protocole a lieu juste avant la chute
de courant qui marque la fin de la récupération.
Point 8 (T1-D2-F2) :
Le pic a lieu à 391krad. A basse température et à fort débit de dose, le courant
monte encore très haut avant la fin de l’irradiation. Une fois de plus, le retour précoce
des erreurs de protocole empêche d’observer la chute des erreurs de lecture.
VII.E. Plans d’expérience
Pour tout ce qui suit, les 3 facteurs considérés sont :
X1 : la température en ºC,
X2 : le débit de dose en radSiO2.s-1,
X3 : la fréquence de fonctionnement du CI en MHz
Leurs valeurs extrêmes sont (Tableau VII-2) :
Tableau VII-2 : Paramètres des plans d’expérience pour FPGA 8
105
VII.E.1. Plan sur la durée de fonctionnement
Le paramètre Y à modéliser est le temps au bout duquel le CI est en panne
fonctionnelle, c’est-à-dire lorsque les erreurs de lecture apparaissent. Ce temps
coïncide avec le premier pic de courant qui survient. Il s’agit de la durée de
fonctionnement du CI, noté tf.
Figure VII-5 : Paramètre tf pris en compte dans les plans d’expérience de FPGA 8
A partir des tests précédents, il est possible de construire la matrice
d’expériences en variables naturelles (Tableau VII-5) :
Tableau VII-3 : Dose cumulée pour les 8 tests du plan d’expérience de tf
La Figure VII-6 montre ces points dans un graphe 3D :
106
Figure VII-6 : Représentation 3D de tf pour les 8 points extrêmes. Courbe bleue pour 10MHz et
rouge pour 40MHz.
La colonne « Point du cube » donne la correspondance avec les sommets du
cube des plans d’expérience de la Figure VII-3.
La colonne « Circuit » correspond au nom donné au circuit qui a subi le test.
En prenant en compte les interactions du 2ème ordre, l’équation polynômiale du
modèle est de la forme :
Y = a 0 + a1 ⋅ X 1 + a 2 ⋅ X 2 + a3 ⋅ X 3 + a12 ⋅ X 1 ⋅ X 2 + a13 ⋅ X 1 ⋅ X 3 + a 23 ⋅ X 2 ⋅ X 3 + a123 ⋅ X 1 ⋅ X 2 ⋅ X 3
La matrice d’expériences en variables réduites est
Tableau VII-4 : Calcul des coefficients de l’équation des plans d’expérience de tf
On obtient l’équation polynômiale suivante :
Y = 18356 + 606 . X 1 − 15897 . X 2 + 134 . X 3 − 702 . X 1 . X 2 + 751 . X 1 . X 3 − 255 . X 2 X 3 − 812 . X 1 . X 2 . X 3
107
Le débit de dose (X2) est le paramètre qui influence le plus la durée de
fonctionnement. Plus il est fort, plus la durée de fonctionnement est faible, car le
coefficient est négatif.
Le 2ème facteur à avoir le plus d’effet est la température du CI (X1). Quand elle
s’élève, la durée de fonctionnement augmente (car le coefficient est positif). Son
influence est quand même 25 fois plus faible que celle du débit de dose. En effet,
son coefficient ne dépasse pas ceux des interactions.
Quant à la fréquence, son influence peut être considérée comme nulle.
Figure VII-7 : Influence relative des 3 facteurs sur la longueur de tf
VII.E.2. Plan sur l’intervalle ∆t=tf-ti0+10%
Certains CI se sont révélés plus sensibles que d’autres indépendamment des
paramètres de température et de radiation. Cela se manifeste par une élévation de
courant survenant plus tôt. Pour pallier à ce problème, sûrement en lien avec la
conception du circuit, j’ai réalisé un plan d’expérience avec un autre paramètre ∆t.
Il s’agit de l’intervalle de temps entre le moment où le courant s’est élevé de 10%
par rapport à sa valeur de départ, et le temps de la panne fonctionnelle, comme
décrit sur la Figure VII-8.
Figure VII-8 : Paramètre ∆t pris en compte dans les plans d’expérience de FPGA 8
108
La matrice d’expériences en variables naturelles est (Tableau VII-5 : Valeurs de
∆t pour les 8 tests du plan d’expérience) :
Tableau VII-5 : Valeurs de ∆t pour les 8 tests du plan d’expérience
On procède comme précédemment pour obtenir l’équation polynômiale suivante :
Y = 6866 + 643. X 1 − 6151 . X 2 − 1213 . X 3 − 687. X 1 . X 2 + 496. X 1 . X 3 + 967 X 2 . X 3 − 621. X 1 . X 2 . X 3
Le débit de dose (X2) est encore le paramètre qui influence le plus la durée de
fonctionnement. Son coefficient étant négatif, plus il est fort, plus le ∆t est faible.
Le 2ème facteur à avoir le plus d’effet est la fréquence de fonctionnement du CI
(X3). Son influence est 5 fois plus faible que celle de X2. Une fréquence plus élevée
raccourcit le ∆t.
La température a un effet près de 10 fois plus faible que le débit de dose et 2 fois
plus faible que la fréquence. Elle est aussi « négligeable » que les interactions entre
les 3 facteurs (Figure VII-9).
Figure VII-9 : Influences relatives des trois facteurs sur la longueur de ∆t
Cependant, le coefficient de l’effet de la fréquence est faussé, car lorsque la
fréquence est de 40MHz, le CI consomme 240mA au départ alors qu’à 10MHz, il ne
consomme que 100mA. Prendre un point à 10% de courant supplémentaire signifie
24mA de plus pour 40MHz et 10mA de plus pour 10MHz.
109
Le ∆t des tests à 40MHz est donc plus resserré vers le pic de courant (Figure
VII-10) :
Figure VII-10 : Pour un même comportement du courant, ∆t40MHz < ∆t10MHz
Cette erreur se voit bien sur le graphe 3D. La courbe des 40MHz se détache
largement de celle des 10MHz (Figure VII-11) :
Figure VII-11 : Représentation 3D de ∆t pour les 8 points extrêmes. Courbe bleue pour 10MHz
et rouge pour 40MHz.
C’est la raison pour laquelle au lieu de choisir un pourcentage supplémentaire, j’ai
pris une quantité absolue en mA pour refaire un troisième plan.
VII.E.3. Plan sur l’intervalle ∆t2=tf-ti0+10mA
Le principe est exactement le même que précédemment, mais pour une élévation
de courant de 10mA. La matrice en variables naturelles est :
110
Tableau VII-6 : Valeurs de ∆t2 pour les 8 tests du plan d’expérience
Sur la courbe 3D de la Figure VII-12, le débit de dose entre 15 et 157 rad/s a une
influence beaucoup plus grande que la température entre 45 et 80°C. Le graphe 3D
ressemble plus à celui de tf (Figure VII-12), ce modèle est donc plus fidèle à tf que
celui de ∆t.
Figure VII-12 : Représentation 3D de ∆t2 pour les 8 points extrêmes. Courbe bleue pour 10MHz
et rouge pour 40MHz.
L’équation finale s’écrit :
Y = 8132 + 585 . X 1 − 7292 . X 2 + 37 . X 3 − 670 . X 1 . X 2 + 460 . X 1 . X 3 − 155 X 2 . X 3 − 618 . X 1 . X 2 . X 3
En comparant les valeurs relatives des différents coefficients avec ceux de
l’équation de tf, on s’aperçoit que ce modèle n’est pas plus exempt d’incertitudes. En
effet, les effets des interactions entre les facteurs restent élevés (670 max) par
rapport à l’effet de la température (585). C’est pourquoi l’extrapolation pour
l’environnement radiatif du LHC n’utilise que le paramètre tf.
111
Figure VII-13 : Influences relatives des trois facteurs sur la longueur de tf et de ∆t2
La modification de la dose conserve le même profil du courant tandis que la
modification de la température influe plus sur ∆t2 que sur tout le temps de
fonctionnement tf. Après une élévation de température, le rapport ∆t2/tf sera plus
important (Figure VII-14).
La fréquence n’est pas prise en compte étant donné son influence minime.
Figure VII-14 : Effets du débit de dose D et de la température T sur le comportement du courant
Ainsi, si 2 circuits ont mis le même temps pour augmenter leur consommation de
10%, celui qui fonctionne à la plus haute température tiendra plus longtemps la dose
avant la panne fonctionnelle.
Sur la courbe 3D, le débit de dose entre 15 et 157 rad/s a une influence
beaucoup plus grande que la température entre 45 et 80°C (Figure VII-12).
112
VII.F. Extrapolation pour les doses du LHC
L’étape suivante consiste à vérifier la linéarité entre ces points pour le paramètre
tf. C’est pourquoi j’ai choisi des points intermédiaires au milieu de chaque ligne et au
centre de l’espace pour les fonctionnements à 10MHz.
Figure VII-15 : Représentation 3D de tf avec les points intermédiaires pour F=10MHz
En fonction du débit de dose, le Delta t avant la panne fonctionnelle semble
suivre une exponentielle décroissante (Figure VII-15). Cependant, si l’on considère
les conditions aux limites :
-
-
Pour un débit de dose nul, le CI est censé ne jamais tomber en panne à
cause des radiations. C’est la raison pour laquelle l’évolution du « Delta t »
doit avoir une asymptote verticale à D=0 rad.s-1.
De même, pour un débit de dose infini, le « Delta t » doit tendre vers 0, soit
une asymptote horizontale à t=0s.
La meilleure forme analytique décrivant cette fonction est :
∆t =
1
a.D b
D étant le débit de dose en rad.s-1, a et b sont des coefficients constants.
L’approximation du temps de fonctionnement d’un FPGA en fonction à la fois de
la température et du débit de dose s’écrit par la relation :
113
t f = a1 .T +
1
a2 .D a3
Un ajustement de cette fonction aux données nous donne la valeur la plus
probable des paramètres a1, a2 et a3 .
t f = −2,34.10 −3 × T +
1
7,895.10 −3 × D 0,9459
La fonction reproduit les valeurs mesurées avec un écart maximal de 10% pour le
plus mauvais cas.
En reprenant la dose de 1,3kGy pour le pire cas sur les 20 ans de fonctionnement
du LHC, on obtient un débit de dose moyen de DLHC=2,06.10-4 rad.s-1. Selon ce
modèle, un circuit fonctionnant à 70°C doit tomber en panne au bout de 388 473
heures, soit à peu près 44 ans.
VII.G. Test de Vpump.
J’ai réalisé des tests pour mettre en évidence la défaillance du circuit due à la
baisse de la tension Vpump, comme décrit dans le paragraphe III.A.7.b et dans [15].
J’ai utilisé deux modes opératoires : un mode statique, l’autre dynamique.
VII.G.1. Mode opératoire statique
Vpump est une tension directement reliée à la tension d’alimentation Vcc. J’ai donc
fait fonctionner plusieurs circuits à des tensions d’alimentation différentes (5V, 6V et
7V) pour comparer leur tenue aux radiations (Figure VII-16 à Figure VII-18).
Figure VII-16 : Point 4 des tests de rayons X de FPGA8, à T=45°C, D=157rad/s, V cc=5V
114
Figure VII-17 : Test de Vpump. T=45°C, D=157rad/s, V cc=6V
Figure VII-18 : Test de Vpump. T=45°C, D=157rad/s, V cc=7V
Le Tableau VII-7 nous donne le temps de la panne fonctionnelle en partant du
début de l’irradiation (colonne Temps) et en partant du temps où le courant s’est
élevé de 10% (colonne Delta t).
Tableau VII-7 : Comparaison des temps de panne fonctionnelle en fonction de la tension
d’alimentation Vcc.
Sur les 3 tests, il est impossible de mettre en évidence une différence en fonction
de la tension d’alimentation appliquée, à cause de l’incertitude sur les temps qui peut
atteindre plusieurs centaines de secondes.
Par exemple, un autre CI testé quelques temps après, dans les mêmes conditions
que le CI 2, a tenu plus de 2600 secondes avant la panne fonctionnelle.
115
VII.G.2. Mode opératoire dynamique
Les tests statiques n’ont donc pas donné de résultats probants. Ceci peut être dû
aux différences de conception des FPGA ou aux conditions d’irradiations pas tout à
fait identiques. C’est pourquoi j’ai tenté l’expérience de changer la tension
d’alimentation sur un seul CI et sur un seul test.
Celui-ci consiste à augmenter la tension un peu avant les erreurs fonctionnelles.
Quand la montée du courant est devenue importante, j’ai fait passer la tension
d’alimentation de 5 à 6V (Figure VII-19).
Figure VII-19 : Passage de la tension d’alimentation de 5V à 6V pour tester Vpump
Ce « choc » n’a visiblement pas aidé le CI à tenir plus longtemps. Le pic de
courant s’est produit juste après la hausse de tension. En regardant la courbe en
détail, la transition semble même avoir favorisé l’apparition du pic.
Le test dynamique n’a donc pas non plus permis de mettre en évidence
l’influence de Vpump dans la tenue aux radiations.
Dans ce chapitre, j’ai décrit les tests sous irradiation X des circuits FPGA en
fonction de la température des CI, du débit de dose d’irradiation et de la fréquence
de fonctionnement. Pour une fréquence de 10 MHz, j’ai calculé l’équation qui
approxime au mieux la durée de fonctionnement des circuits dans l’espace définit par
les plans d’expérience. Le débit de dose est le facteur qui a le plus d’effet sur le
comportement des circuits, mais en extrapolant à des débits de plus en plus faibles,
la température reprend de l’importance. L’équation, qui ne prend en compte que
l’effet de dose, prédit une durée de fonctionnement des circuits de 44 ans au débit de
dose moyen du LHC, déterminé à partir des simulations sous le logiciel FLUKA du
chapitre IV.
Je n’ai pas pu confirmer la relation entre la diminution de la tension Vpump dans
l’apparition du pic de courant et de la panne fonctionnelle des FPGA.
116
117
C
CH
HA
AP
PIITTR
RE
EV
VIIIIII
TESTS SOUS PROTONS DES CI VERSION FPGA 8
_________ ____ _________ ____ _________ ____ ______
118
Résumé du CHAPITRE VIII :
Les tests sous faisceaux de protons se sont déroulés en un shift de 8 heures à
l’institut Paul Scherrer (PSI) à Villigen en Suisse. La méthodologie des tests reste la
même que celle élaborée pour les rayons X pour la version FPGA8. Le faisceau est
constitué de protons ayant une énergie nominale de 63MeV (σ = 1,5MeV). Il présente
un profil transversal carré de 4*4cm2 centré sur le circuit FPGA.
L’acquisition de la température, du courant, ainsi que la comptabilisation des
erreurs sont surveillées dans une salle de contrôle séparée de la salle d’irradiation.
Une connexion Ethernet assure le transfert des données entre les deux salles, et le
programme LabVIEW de FPGA8 permet le suivi des opérations, l’analyse et
l’enregistrement des données en temps réel.
J’ai utilisé trois méthodes différentes pour estimer la dose effectivement déposée
dans la partie silicium du FPGA. La première consiste en un calcul de la dose à partir
de la courbe expérimentale donnant le transfert d’énergie linéique sur la trajectoire de
pénétration d’un proton dans le silicium. La seconde méthode est basée sur des
simulations. J’ai utilisé le simulateur GEANT4 qui consiste en une plateforme
permettant de modéliser l’ensemble du dispositif expérimental et de simuler les
processus physiques de l’interaction du rayonnement avec la matière. La troisième
méthode est basée sur le logiciel de calcul rapide SRIM qui comprend la formule de
Bethe-Bloch donnant la perte d’énergie d’une particule chargée (-dE/dx) dans la
matière.
Enfin, j’ai effectué une mesure expérimentale avec des films dosimétriques de type
« radiochromics » intercalés entre des plaques de silicium et exposés au même
faisceau de protons. Cette mesure me permet de valider les calculs précédents,
d’estimer la dose déposée dans le FPGA, et de mesurer son profil transversal.
Le comportement du circuit en fonction de la dose déposée et de la température a
été étudié. Les résultats préliminaires indiquent que pour le même débit de dose
[Gray/seconde], la panne fonctionnelle du circuit FPGA survient après un temps huit
fois plus court avec les protons qu’avec les rayons X.
119
VIII.A. Dispositif expérimental
Les tests avec les protons se sont déroulés à Villigen en Suisse alémanique,
dans le hall PIF (Proton Irradiation Facility) à l’Institut Paul Scherrer (PSI).
Le dispositif expérimental est le même que celui précédemment utilisé avec les
rayons X pour la version FPGA8. Il est décrit dans le CHAPITRE VII. La Figure VIII-1
montre la carte électronique montée verticalement sur son support, avec le FPGA
placé en son centre. Celui-ci est disposé de manière à recevoir le faisceau de
protons de 63 MeV perpendiculairement à la surface du circuit FPGA. Sur le bas de
la photo, on remarque les nappes utilisées pour la lecture et l’écriture des données
numériques dans les registres ainsi que les 4 fils du capteur de température
incorporé dans le système de chauffage du FPGA.
Figure VIII-1 : Carte électronique et CI en position d’irradiation sous faisceau
Sur la gauche, on peut observer les lames d’aluminium servant à réduire l’énergie
du faisceau ou le bloquer entièrement. Pour une énergie nominale de 63 MeV, les
lames sont entièrement retirées.
120
La Figure VIII-2 montre l’ensemble du dispositif expérimental dans la salle
d’irradiation. On reconnait sur la droite les nappes qui viennent se connecter sur la
carte électronique. Le faisceau de protons a une énergie nominale 63 MeV, avec une
dispersion gaussienne de 1,5 MeV. Nous avons sélectionné un collimateur afin
d’obtenir pour le faisceau une forme transversale carrée de 4*4 cm2, sur laquelle le
flux de protons de 4.108 p.cm-2.s-1 reste homogène.
Figure VIII-2 : Vue d’ensemble du banc de test. Le faisceau arrive par la droite
Sur la gauche de la photo, deux détecteurs ont été disposés à l’arrière de la
cible :
-
le premier, placé sur la trajectoire du faisceau, est un compteur des rayons γ
sortant du FPGA. Il consiste en un cristal de BGO dont la lumière est lue par
un photomultiplicateur.
-
Le deuxième est un scintillateur permettant de compter le nombre de
particules chargées (principalement des protons) produites dans le FPGA
cible. Il présente une surface la plus grande possible pour augmenter la
section utile de collection de ces particules. Comme pour le compteur de
rayons γ, la lumière émise par le scintillateur est récupérée et convertie en
signal électrique par un photomultiplicateur.
121
Ces deux compteurs nous permettent de mesurer la multiplicité des particules
(photons et protons) produites dans la cible, qui servira par la suite de paramètre de
contrôle de prédiction des simulations GEANT4.
Comme déjà décrit au paragraphe V.B, la carte électronique dispose d’un support
amovible grâce auquel les FPGA peuvent être remplacés facilement. Entre 2
irradiations de FPGA, des cibles constituées de lames de carbone et de silicium sont
installées à la place de la carte électronique. Entre les lames sont disposés en
sandwich des films dosimétriques permettant de mesurer les profils 2D de dose à
des profondeurs bien précises dans la matière. L’épaisseur totale de la matière est
choisie de sorte à arrêter complètement les protons incidents. L’endroit où les
protons déposent le plus d’énergie, situé en fin de parcours, est appelé pic de Bragg.
Ce pic de dépôt d’énergie est donc contenu dans nos cibles mais pas dans les
circuits FPGA.
Les figures VIII-3 et VIII-4 montrent la salle de contrôle, située au dessus de la
salle d’irradiation, et l’ambiance qui y règne. Un câble Ethernet de 30 mètres assure
le transfert des données entre les deux salles, et le programme LabVIEW de FPGA8,
que l’on voit sur la Figure VIII-3 (gauche), permet le suivi des opérations, l’analyse et
l’enregistrement des données en temps réel.
Figure VIII-3 : Station de contrôle un étage au dessus de la salle d’irradiation.
122
Figure VIII-4 : L’équipe de choc à 3h du matin, après 7h de run sans café.
Mes deux Co-thésards Charlotte Ricol et Rémi Rosset-Lanchet.
Un autre écran dans la salle de contrôle, à gauche sur la Figure VIII-5, permet de
connaître en temps réel toutes les caractéristiques du faisceau. Ces caractéristiques
ne sont qu’indicatives et il est nécessaire de téléphoner à la salle de contrôle de la
ligne d’irradiation pour les modifier.
Figure VIII-5 : Ecran reportant les données du faisceau en temps réel.
Pour chaque circuit FPGA, la durée moyenne d’irradiation est de 21 minutes
selon les variations du flux incident de protons. En moyenne chaque circuit testé à
subi une fluence d’environ 5.1011 p.cm-2.
La chambre d’ionisation, déjà pré-étalonnée et installée à la sortie du faisceau,
indique un débit de dose moyen de 0.53 Gy/s pendant nos tests. La dose totale
cumulée est donc d’environ 660 Gy (équivalent silicium). Cette dose correspond à la
dose totale intégrée dans un bloc de silicium correspondant à un circuit intégré
d’épaisseur égale à 500 µm. Le faisceau de protons de 63 MeV ne cède qu’une
petite fraction de leur énergie dans le FPGA. La dose accumulée donc plus faible
que celle véhiculée par le faisceau, d’autant plus que le pic de Bragg ne se produit
pas dans le circuit. Afin de modéliser correctement le comportement des FPGA
soumis aux irradiations, il est indispensable de vérifier l’indication de la chambre
d’ionisation par des méthodes indépendantes.
123
VIII.B. Calcul de la dose effective.
Pour déterminer la dose déposée dans le circuit par le passage des protons, j’ai
utilisé 3 méthodes : un calcul direct qui nécessite la connaissance expérimentale de
la perte d’énergie d’un proton dans le silicium, une simulation avec la plateforme
logicielle GEANT4 [38] et un calcul avec le logiciel rapide appelé SRIM [39]. J’ai
ensuite comparé les résultats de ces méthodes avec l’interprétation des films
dosimétriques irradiés. L’épaisseur de notre CI, qui a été mesurée grâce à la coupe
transversale détaillée au paragraphe VIII.B.3, est précisément de 500 µm. C’est
l’épaisseur typique des ‘wafers’ présents actuellement sur le marché.
VIII.B.1. Calcul direct
Si on se réfère à la lecture des tables expérimentales du dépôt d’énergie dans du
silicium par un proton en fonction de son énergie [34], un proton d’énergie 63 MeV
dépose à très peu près 2 MeV par mm, soit 1 MeV dans le circuit, ce qui nous laisse
loin du pic de Bragg. Le proton ne cédant qu’une petite fraction (~1 %) de son
énergie au silicium, nous pouvons considérer le transfert d’énergie linéique (TEL)
constant sur toute l’épaisseur du circuit (< 1 mm).
Dans l’hypothèse d’un TEL constant, on a E p = 1.10 6 × 1,6.10 −19 = 1,6.10 −12 J
déposée par proton dans la masse du circuit.
La densité du Si est ρSi=2,3.10-3 kg.cm-3, sa surface est SCI=42 mm2 et son
épaisseur e=0,5 mm, ce qui donne une masse de silicium :
mCI = ρ Si × S CI × e = 4,83 × 10 −5 Kg . .
L’énergie libérée par les protons dans le CI divisée par la masse du CI est égal au
KERMA, qui doit être voisin de la dose effective. Ce calcul est donc une valeur
indicative de la dose, dont le débit pour un flux moyen f = 4.10 8 protons /(cm 2 .s ) est :
D=
E p × f × S CI
mCI
=
1,6.10 −12 × 4.10 8 × 0,42
= 0,56 Gy.s −1
4,83.10 −5
Néanmoins, on constate que la valeur obtenue est cohérente à 5,7% près de la
valeur indiquée par la chambre d’ionisation faisant partie de l’installation PIF.
VIII.B.2. Simulation sur GEANT4
Le simulateur GEANT4 consiste en une plateforme permettant de modéliser
l’ensemble du dispositif expérimental et de simuler les processus physiques de
l’interaction du rayonnement avec la matière [38].
La Figure VIII-6 montre le résultat d’une simulation GEANT4 de l’énergie déposée
par un proton de 63 MeV en fonction de sa profondeur de pénétration dans du
silicium (-dE/dx). Dans cette simulation, les interactions coulombiennes et les
interactions nucléaires sont prises en compte. On observe bien que, dès son entrée
dans la matière, le proton dépose ~2 MeV/mm, puis il communique de plus en plus
de son énergie, et finit par s’arrêter au bout de 19 mm en atteignant son TEL
maximum au pic de Bragg.
124
Figure VIII-6 : Simulation par GEANT4 de l’énergie déposée par un proton de 63 MeV sur 2cm
de silicium
Le TEL calculé par GEANT4 sur le premier millimètre corrobore la valeur obtenue
précédemment.
Nous considérons maintenant un volume de silicium équivalent à celui du circuit
soit 6*7*0,5 mm3. Sur l’épaisseur de 0,5 mm de silicium, GEANT4 calcule une dose
déposée de ~3,15.10-9 Gy par particule, comme montré sur la Figure VIII-7.
La surface du circuit étant de 0,42cm2, le proton dépose une dose de 3,15.10-9 *
0,42 = 1,323.10-9 Gy. Avec le flux de protons de 4.108 /(cm2.s), le débit de dose se
calcule par 1,323.10-9 * 4.108 = 0,53 Gy/s.
Ce résultat est compatible avec le débit de dose déterminé par le calcul direct.
125
Figure VIII-7 : Dose déposée par un proton dans les 500µ
µm de silicium du FPGA
VIII.B.3. Estimation avec SRIM
SRIM est un logiciel de calcul rapide qui utilise la formule de Bethe-Bloch donnant
la perte d’énergie d’une particule chargée (-dE/dx) dans la matière [39]. Il suffit de
préciser la nature des particules incidentes (proton), leur énergie (63 MeV) et la
nature et l’épaisseur du matériau cible (silicium). Le logiciel calcul alors l’énergie
cédée par unité de longueur dans le silicium. Le résultat du calcul est représenté sur
la Figure VIII-8.
Il est concordant, du moins sur le premier millimètre qui nous intéresse, aux
résultats obtenus avec GEANT4. Ce résultat donne également 1 MeV d’énergie
déposée par proton dans le FPGA, la différence entre GEANT4 et SRIM est inferieur
à 1 %.
Nous adoptons donc le logiciel SRIM pour essayer de raffiner le calcul du dépôt
de dose en y précisant, au mieux, la constitution de notre circuit. Afin de connaître
précisément l’épaisseur du silicium mais aussi les différents éléments qui l’entourent,
pour réaliser le calcul du dépôt d’énergie des protons le plus proche possible de la
réalité, nous avons découpé un FPGA pour observer le profil du circuit. Le résultat
est donné sur la Figure VIII-9.
126
Figure VIII-8 : Energie déposée par un proton de 63MeV sur 20 mm de Si par SRIM
Figure VIII-9 : Coupe transversale du FPGA, avec la description des ses couches
Trois couches de matériaux différents sont empilées de haut en bas dans le
boitier plastique. Au sommet, nous avons le silicium, dont l’épaisseur a été évaluée à
500 µm, fixé par une colle thermique sur une plaque de cuivre, qui repose elle-même
sur un support en aluminium, assurant la solidité mécanique de l’ensemble moulé
dans le plastique.
Nous avons rentré ces différentes couches dans SRIM, avec les épaisseurs
présentées sur la Figure VIII-9. Le résultat du calcul est présenté sur la Figure
VIII-10. Elle montre la perte d’énergie des protons en fonction de la profondeur dans
les différentes couches qu’ils traversent.
127
Figure VIII-10 : Energie déposée dans les différentes couches du FPGA
Le faisceau traverse 1,14 mm de polycarbonate en y déposant 1,36 MeV par
proton avant d’atteindre le silicium. Les protons atteignent le cuivre en ayant déposé
1 MeV par proton dans silicium. Nous pouvons calculer l’énergie moyenne d’un
proton à la sortie du FPGA : dans le cuivre, il dépose 6 MeV par mm sur 240 µm soit
1,5 MeV, ensuite il cède 2,3 MeV par mm sur les 400 µm d’aluminium soit 1 MeV, et
enfin 1,3 MeV par mm dans 1250 µm de polycarbonate soit 1,6 MeV. Au total, le
proton de 63 MeV qui rentre perpendiculairement au FPGA en ressorte avec une
énergie moyenne de 56,6 MeV et une dispersion angulaire de l’ordre de 5°. On
constate que même en incorporant dans le logiciel de calcul les différentes couches
du circuit, l’énergie déposée dans le circuit reste effectivement la même, à 1% près,
que les estimations précédentes.
VIII.B.4. Interprétation des films dosimétriques
On utilise les profils de dose obtenus grâce au développement des 4 films
dosimétriques placés sur la trajectoire du faisceau, alternativement avec des plaques
de silicium. Ces plaques de silicium mesurant 14 mm d’épaisseur, déjà bien plus que
mon circuit, je ne m’intéresse qu’aux deux premiers films : le premier est placé avant
tout le reste sur la trajectoire du faisceau de 63 MeV, et le deuxième est placé après
une plaque de silicium d’épaisseur 14 mm, comme représenté sur la Figure VIII-11.
128
Figure VIII-11 : Schéma du montage avec les films dosimétriques
Les films ont été lus par un scanner dont les constantes d’étalonnage ont
également été obtenues sur un faisceau proton. La Figure VIII-12 et la Figure VIII-13
représentent le développement des films 1 et 2 correspondant aux profils
transversaux du faisceau utilisé. L’échelle de dose déposée est représentée sur la
colonne de droite en fonction de la couleur. On peut distinguer une forme X (croix)
sur le film, elle représente l’image de la chambre d’ionisation placée sur la trajectoire
du faisceau. Il est important de remarquer que le rectangle noir du centre de la figure,
représentant la position du circuit FPGA, est uniformément irradié.
er
Figure VIII-12 : Profil de la dose déposée dans le 1 film
129
ème
Figure VIII-13 : Profil de la dose déposée dans le 2
film
J’ai évalué la dose déposée dans le rectangle du premier film à 123 Gy et celle du
deuxième à 211Gy. Le pouvoir de déposition d’énergie par les protons dans un film a
donc été accru d’un facteur 1,71 (=211/123) après la traversée des 14mm de
silicium. Dans ce cas, les protons de 63 MeV qui déposent 2MeV par mm à l’entrée
du silicium déposent à la sortie de la plaque de 14mm 2*1,71=3,43MeV par mm de
silicium, avec l’approximation (justifiée par la courbe) d’un accroissement linéaire du
dépôt d’énergie dans les 14 premiers mm de Silicium. Cette valeur est à comparer
aux 3,5 MeV par mm calculés avec SRIM. On trouve alors par la mesure la dose
attendue par la simulation, du moins tant qu’on n’est pas encore au pic de Bragg.
VIII.C. Résultats
Étant donné les résultats obtenus dans les paragraphes précédents, nous
adoptons le résultat de mesure donnée par la chambre d’ionisation pour représenter
le débit de dose. L’incertitude sur ce débit, estimée en comparant les différentes
méthodes, reste de l’ordre de 5%. Ce qui est bien suffisant pour l’étude que nous
menons.
La Figure VIII-14 donne les résultats pour l’un des circuits FPGA.
Le circuit FPGA a été maintenu tout le temps du test à la température de 70°C
représentée par la courbe bleue Tchip. La courbe « Rad », dont les valeurs sont
représentées sur l’axe de gauche, représente l’évolution linéaire de la dose absorbée
par le circuit de silicium, et se stabilise à 663 Gy à la fin de l’irradiation. Le
comportement du FPGA irradié avec des protons est très similaire au comportement
avec des rayons X. Le courant de consommation « Current » en vert augmente de
façon relativement exponentielle et forme un pic, accompagné de la panne
fonctionnelle du circuit. Celle-ci est caractérisée par la courbe des erreurs de lecture
« Read err », qui passent instantanément de 0% à 100%, lisible sur l’axe de droite. Il
130
faut attendre un moment après la fin de l’irradiation pour voir les erreurs de lecture
retomber à 0. Les erreurs de protocole « protocol err » sont les erreurs de
communication entre LabVIEW et le FPGA qui sont testées pour chacune des 128
positions mémoire du FPGA. Les 128 erreurs apparaissent complètement lors du pic
de courant et de la panne fonctionnelle. Elles ne rediminuent qu’un moment après la
fin de l’irradiation, et lorsqu’elles atteignent 0, les erreurs de lecture disparaissent
instantanément.
Figure VIII-14 : Résultats des tests de protons
Sous un débit de dose de 56 rad par seconde correspondant à un flux de 4.108
proton/(cm2.s), le FPGA a tenu 1180 secondes avant la panne fonctionnelle, et pas
un seul SEU n’a été détecté parmi les 15 registres fonctionnant à 10MHz. La section
efficace d’un bit mémoire peut être majorée par :
σ=
Nb err / sec
1
1
<
×
= 1,7.10 −17 err.cm 2 .
7
8
F
15 × 10 4.10
La panne fonctionnelle n’est que temporaire car les erreurs de protocoles et de
lecture disparaissent 7 minutes après la fin de l’irradiation. Le circuit fonctionne à
nouveau correctement, bien qu’avec un courant presque 2 fois plus élevé que le
courant de départ.
A partir des résultats des tests d’irradiation avec les rayons X décrits dans le
chapitre VII, j’ai proposé une équation permettant d’extrapoler les effets de la dose
intégrée par les FPGA dans le tunnel du LHC. Cette équation exprime le temps de
fonctionnement d’un circuit FPGA, tf (heures), en fonction du débit de dose qu’il
reçoit, D (rad/s), et de sa température de fonctionnement, T (°C) :
131
t RX
= a1.T +
f
1
1
−3
=
−
2
,
34
.
10
×
T
+
7,895.10 −3 × D 0,9459
a2 .D a3
En extrapolant ce modèle avec un circuit fonctionnant à une température de
70°C, et avec un débit de dose de 2,06.10 -4 rad.s-1, les FPGA devraient avoir une
durée de vie d’environ 44 ans avant la panne fonctionnelle. Cette équation peut être
utilisée pour caractériser l’effet du débit de dose induit par des rayons X.
Cependant, les radiations dans le LHC seront des particules massives qui font
des dégâts supplémentaires par rapport aux photons. De plus, ce sont elles qui
induisent les erreurs que l’on appelle les événements singuliers. C’est pour ces deux
raisons que j’ai aussi mené des tests sous un faisceau de protons à l’Institut Paul
Scherrer (PSI) à Villigen en Suisse.
Il en ressort que le temps de tenue d’un circuit FPGA à 70°C avec un faisceau de
protons d’énergie nominale 63MeV déposant une dose de 56 rad par seconde, est
t fp + = 1180 sec .
de
En reprenant le modèle obtenu à partir des rayons X, ce temps devrait
être
t RX
= −2,34.10 −3 × 70 +
f
1
7,895.10 −3 × 56 0,9459
= 2,65h = 9534 sec ,
soit 8
fois plus long. Les protons font ainsi parvenir la panne fonctionnelle 8 fois plus vite
que les rayons X. En considérant ce rapport indépendant de la température ou du
débit de dose, il est possible d’extrapoler la durée de fonctionnement des FPGA
dans le tunnel du LHC en fonction de la dose déposée par les particules
environnantes.
La dose totale attendue sur le châssis soumis au plus de particules radiatives a
été évaluée à 1,3 kGy. Cette dose s’étale sur une durée de 20 ans et correspond
donc à un flux moyen de 2,06.10-4 rad/s. Le temps de fonctionnement de ce circuit
peut être évalué par la formule :
t LHC =
1
1
= − 2,34.10 −3 × 70 +
8
8 
7,895.10 −3 × 2,06.10 −4
t RX
f
(

= 48559h
0 , 9459 

)
ce qui correspond à un fonctionnement de 5 ans ½.
Sur la base de ce modèle, il serait intéressant de prévoir le remplacement des
circuits concernés tous les 5 ans.
132
133
C
CH
HA
AP
PIITTR
RE
E IIX
X
CONCLUSION
_________ ____ _________ ____ _________ ____ ______
L’électronique numérique d’aujourd’hui est composée, tout comme les FPGA
d’Actel que j’ai étudiés, de transistors de technologie CMOS qui se comportent
comme des commutateurs commandables électriquement par deux niveaux de
tensions logiques (0V/5V). Le passage d’une particule peut ioniser suffisamment les
substrats de silicium pour que la collection de charges qui en résulte inverse le
niveau logique d’un transistor. La modification du niveau logique du drain d’un
transistor MOS peut conduire à la modification d’un bit mémoire dans les FPGA et
ainsi à une erreur de lecture des données en sortie.
Afin de quantifier ces erreurs, et en guise d’introduction, j’ai présenté un modèle
de bascule D que j’ai élaboré sous LabVIEW. Ce modèle est limité par le fait que je
n’ai pas pu disposer des détails de construction du FPGA que j’utilise, et ne peut
donc pas être comparé directement aux résultats de mes expériences. Cependant,
j’ai fait en sorte que le principe de la création d’un modèle repose sur l’assemblage
des composants de base de la logique numérique que sont les NMOS et PMOS,
auxquels j’ai adjoint la possibilité de provoquer une erreur grâce à un booléen. Il est
ainsi possible de réutiliser mes programmes pour assembler n’importe quelle
architecture basée sur ces transistors MOS. De plus, les détails de construction et la
géométrie d’un transistor, qu’il est nécessaire de prendre en compte pour un circuit
réel, sont des paramètres qui jouent sur la probabilité que le niveau logique de sortie
de ce transistor soit modifié. Si la sensibilité de chaque transistor peut être évaluée
par un constructeur, il suffit d’appliquer sur son booléen une probabilité d’erreur
adaptée, et ainsi quantifier le plus précisément possible les types d’erreurs attendus.
Par la suite, je suis rentré plus dans les détails des effets des radiations sur les
composants semi-conducteurs. Le mécanisme le plus important est l’ionisation de la
matière constituant les transistors, due à l’énergie déposée par interaction
coulombienne lors du passage d’une particule. Cette ionisation est à la base de deux
effets distincts :
- l’effet de dose qui se produit dans les isolants en dioxyde de silicium (SiO2),
servant à isoler la grille d’un transistor de son substrat mais aussi à isoler les
transistors les uns des autres. L’ionisation dans les isolants provoque le piégeage
des charges positives, qui possèdent une mobilité bien inférieure à celle des
électrons. Ces charges induisent des champs électriques qui parasitent le
fonctionnement normal des transistors. Dans le cas de l’oxyde de grille, les tensions
de seuil de conduction d’un transistor sont modifiées : les NMOS deviennent de plus
en plus passants et les PMOS de plus en plus bloquants. Cet effet de dose est
l’intégration de l’énergie déposée dans les isolants, exprimée en joules par kg, et
grandit au fur et à mesure de l’irradiation, menant à la panne fonctionnelle du circuit.
- les événements singuliers, dus aux charges qui ne sont pas créées dans les
isolants. Ces charges peuvent être séparées par les champs électriques de grille
d’un transistor par exemple, et être collectées par son drain, modifiant son état
logique. Cet événement, nommé SEU (Single Event Upset), est le plus couramment
observé et correspond à celui que j’ai modélisé dans le programme décrit plus haut.
134
Il ne s’agit que d’un des différents types d’événements singuliers, qui peuvent aussi
conduire à la destruction pure et simple d’un transistor en provoquant des décharges
électriques.
J’ai ensuite mis en relation ces deux effets avec l’environnement radiatif du tunnel
du LHC. L’accélérateur du LHC est constitué d’un tunnel en cercle de 27 km de
périmètre sur lequel sont placés 4 détecteurs en différents points. L’environnement
radiatif du tunnel sera provoqué par 2 phénomènes distincts :
- Le premier a lieu sur les 27 km du trajet des faisceaux de protons dans les tubes
sous vide. Les particules résiduelles dans ces tubes rentreront en collision avec
certains des protons accélérés, modifiant ainsi la trajectoire du proton. Si les champs
magnétiques des aimants supraconducteurs sont insuffisants pour ramener le proton
dans la trajectoire du tube, celui-ci va provoquer des gerbes de particules dès qu’il
interagira avec de la matière. Ce phénomène va induire un environnement radioactif
dans tout le LHC.
- Le deuxième phénomène est plus violent mais aussi plus localisé ; il s’agit des
collisions des paquets de protons dans les détecteurs. Seuls 4 points sur les 27 km
seront touchés par ces radiations supplémentaires, qui se répercuteront de part et
d’autres sur une certaine distance dans le tunnel.
J’ai mis en avant les zones les plus radioactives du tunnel dans lesquelles seront
installées les cartes électroniques utilisant les FPGA d’Actel que j’ai testés, grâce à
des simulations réalisées par le logiciel FLUKA. Il s’agit d’un simulateur qui calcule
les flux et énergies des particules présentes et la dose qu’elles induisent en fonction
des différentes interactions nucléaires provoquées par les faisceaux de protons.
J’ai commencé par rechercher les différentes positions des châssis sous-dipôles
afin de déterminer celui ou ceux qui intègreraient le plus de dose et subiraient la plus
importante douche de particules. La zone la plus radioactive où se trouvent les
châssis d’électronique a été donnée autour d’un des 4 points, celui du détecteur
CMS, précisément dans les « Dispersion Suppressor ». La dose maximale intégrée
est de 1,3 kGy soit 130 krad, et la fluence d’hadrons s’élève à près de 1014 /cm2 sur
les vingt années de fonctionnement du LHC apportant un débit de dose moyen de
2,06.10-4 rad/s.
Pour connaître expérimentalement les effets de dose sur les FPGA d’Actel en
fonction de la température de fonctionnement et du débit de dose, j’ai mené des tests
avec des rayons X d’énergie 10 keV au CERN. L’irradiation a été réalisée sur des
circuits en fonctionnement contenant des registres à décalage, et maintenus à une
température fixe. Pour être capable de maintenir la température d’un circuit, j’ai
conçu un banc de chauffage pour lequel j’ai utilisé un plan d’expérience pour calculer
le plus précisément possible la température du circuit en fonction de 2 facteurs : le
courant de consommation du FPGA et la puissance fournie à la cartouche chauffante
placée sous le FPGA. J’ai développé, sous le logiciel LabVIEW, un programme
permettant de contrôler la boucle de régulation de la température du circuit. En
parallèle, ce programme gère la communication avec le FPGA et les opérations de
lecture/écriture dans les registres à décalage, ainsi que la sauvegarde des données.
Ces sauvegardes sont réalisées en temps réel dans des fichiers texte en cas de
plantage de tout le système, puis automatiquement dans des fichiers Excel à la fin de
chaque expérience. J’ai moi-même créé les 38 fonctions pour Excel et je les ai
rassemblés dans une bibliothèque, avec fichier d’aide, disponible en ligne. Ce
135
développement était nécessaire pour relire les données (plusieurs centaines de
milliers de valeurs par test) et automatiser leur traitement.
Mes données sont à faible statistique étant donné le nombre limité d’expériences
réalisables. J’ai, par conséquent, décidé d’utiliser la méthode des plans d’expérience.
Cette méthode permet de tenir compte des deux paramètres, température et débit de
dose, pour modéliser le fonctionnement du circuit dont l’arrêt est marqué par une
panne fonctionnelle soudaine accompagnée d’un pic important de courant. Les plans
d’expérience consistent à choisir des valeurs extrêmes pour les différents facteurs, ici
la température et le débit de dose, et à mettre en équation le comportement d’un
paramètre, ici la durée de fonctionnement, dans l’espace défini par ces valeurs
extrêmes.
L’extrapolation de l’équation du plan au débit de dose attendu dans le LHC
(2,06.10-4 rad/s) m’a permis d’évaluer une durée de vie de 44 ans pour le circuit le
plus touché par les radiations, à une température de 70°C. Ce plan ne prend
cependant en compte que le débit de dose déposé par des photons, tandis que les
radiations dans le LHC seront composées de multitudes de particules lourdes,
induisant plus de dégâts que la lumière. Afin d’être plus réaliste, je suis allé tester
des FPGA avec un faisceau mono-énergétique de protons à PSI en Suisse. Pour des
facteurs de température et de débit de dose équivalents à ceux des rayons X, les
résultats ont mis en évidence une durée de vie 8 fois plus faible avec les protons. Ce
rapport 8 est utilisé comme facteur de correction à l’équation déterminée par les tests
aux rayons X, et porte la durée de vie du FPGA le plus irradié à 5 ans ½.
Cette estimation rend compte de la durée de vie des circuits FPGA dans des
conditions optimales. Cependant, dans le fonctionnement d’un accélérateur, il faut
s’attendre à des événements plus ou moins fréquents provoquant une perte partielle,
ou totale (Beam Dump), des protons accélérés. Ces événements communiquent à
des circuits une dose supplémentaire qui peut être importante, et accélérer ainsi
l’apparition de la panne fonctionnelle des FPGA, ou néanmoins augmenter la
fréquence des erreurs. La dose qui sera réellement mesurée lors du fonctionnement
du LHC peut être largement supérieure à celle attendue pour un fonctionnement
idéal
de
l’accélérateur.
Mon
RX
−3
modèle t f = −2,34.10 × T +
1
−3
7,895.10 × D 0,9459
permet à ce moment là, avec la connaissance de la dose, d’établir une nouvelle
durée de vie pour les circuits touchés par ces événements.
Ce résultat repose cependant sur l’hypothèse de l’invariabilité du rapport 8 entre
les durées de fonctionnement des FPGA soumis aux rayons X et aux protons. Pour
obtenir une bonne description du lien existant entre l’irradiation avec des rayons X,
qui ne prend en compte que les effets de dose, et l’irradiation avec des particules, il
est nécessaire de compléter les expériences sous protons à différents débits de dose
et différentes températures.
De plus, l’étude des films dosimétrique irradiés à PSI, a mis en évidence une
incertitude non négligeable sur le flux de protons atteignant le circuit. Le faisceau
pourrait présenter une divergence qui réduirait ce flux de 4.108 protons/(cm2.s)
d’environ 20%. La connaissance la plus précise possible des caractéristiques du
faisceau est primordiale pour diminuer les incertitudes sur les paramètres d’un
modèle comportemental de circuits électroniques.
136
La divergence du faisceau implique la dispersion angulaire de la trajectoire des
protons atteignant la cible, apportant une autre source d’erreur. L’effet de l’angle
d’incidence de protons sur l’apparition de latchup a été mis en évidence dans des
mémoires SRAM, particulièrement pour des températures de fonctionnement élevées
[40]. A 75°C et avec un angle d’incidence de 85° pa r rapport à la surface du circuit, la
mémoire a montré une sensibilité au latchup 16 fois supérieure au même matériel à
20°C et avec un angle d’incidence de 0°. Pour une m ême température de 75°C et en
ne prenant en compte que la différence angulaire de 0° à 85°, le circuit reste 4 fois
plus sensible au latchup à 85°. Bien que la dispers ion angulaire du faisceau ne soit
pas aussi importante, celle-ci rajoute une incertitude qu’il est nécessaire d’évaluer,
car le dépôt de dose d’une particule dans un circuit sera d’autant plus important que
l’angle d’incidence par rapport à la normale (et donc la longueur du trajet de la
particule dans le silicium) est grand.
Le résultat de cette thèse permet de mettre pour la première fois le comportement
d’un circuit en équation en fonction de plus d’un facteur. Les plans d’expérience sont
un outil très puissant et permettront, pour une prochaine étude, de faire jouer
d’autres facteurs que la température et le débit de dose afin de décrire au mieux les
réactions des circuits CMOS.
Dans le but d’obtenir un plan d’expérience optimisé pour déterminer la durée de
vie d’un circuit en particulier, il me semble approprié de retenir au moins 5 facteurs
pouvant rentrer en compte de façon non négligeable :
- La température.
- Le débit de dose.
- Le vieillissement du circuit. Il s’agit en fait de l’intégration de l’effet de la
température sur le circuit, qui a été mis en évidence dans [29]. Ce facteur peut aussi
contenir l’information d’une irradiation précédente, d’une guérison ou d’un « stress »
de température sur une certaine période, etc. Il correspond aux effets passés
cumulés.
- L’angle d’incidence des particules radiatives est aussi important, tant par la
différence des effets observés [40] que par la variété d’environnements radiatifs dans
lesquels les directions des trajectoires des particules sont isotropes (dans l’espace,
les accélérateurs, les centrales nucléaires, …).
- Le type de particules. Ce facteur est déjà couramment utilisé pour caractériser
la sensibilité des circuits aux événements singuliers. Cependant, il est tout aussi
important de connaître la différence de doses intégrées auxquelles les circuits
tombent en panne en fonction de ces particules.
137
[1]
Jean-Luc Danger, Sylvain Guilley, Philippe Matherat, Yves Mathieu, Lirida
Naviner, Alexis Polti, Jean Provost, “BCI-TPSP-Electronique numérique
intégrée ”, http://comelec.enst.fr/tpsp/eni/poly/eni.pdf, septembre 2005.
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Incidence on Proton and Neutron-Induced Single-Event Latchup ".IEEE
Trans. Nucl. Sci., Vol.53, n°6, december 2006.
141
BULK :
Technologie MOS où le drain et la source sont en contact direct avec le
substrat.
CERN :
Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire
CI :
Circuit intégré. Les FPGA sont des circuits intégrés numériques.
CMOS :
Complementary Metal Oxide Semi-conductor. Duo de transistors
NMOS et PMOS intégrés sur une même structure.
COTS :
Commercial On-The-Shelf. Les circuits intégrés COTS sont des circuits
commerciaux qui ne sont pas conçus pour tenir les radiations.
FPGA :
« Field Programmable Gate Array ». Puce numérique programmable
(technologie MOS).
GEANT4 : Simulateur d’interaction rayonnement matière utilisé au CERN
LATCH-UP : Effet destructif d’une particule sur un transistor, dû à la mise en
conduction d’un thyristor formé par les substrats.
LET :
« Linear Energy Transfer ». Caractéristique d’une particule qui dépend
de sa nature et de son énergie. S’exprime en MeV.cm2.mg-1. Multiplié
par la densité d’un matériau (en mg.cm-3), elle restitue l’énergie
déposée le long de la trajectoire de la particule dans ce matériau (en
MeV.cm-1).
LHC :
« Large Hadrons Collider ». Accélérateur de particules en construction
au CERN.
MOS :
Metal Oxide Semiconductor. Type de transistor présent dans les FPGA.
Les 2 principaux sous-types sont le NMOS et le PMOS
NMOS :
Transistor MOS dont les porteurs minoritaires sont les électrons.
PMOS :
Transistor MOS dont les porteurs minoritaires sont les trous (absences
d’électrons).
KERMA :
Kinetic Energy Released per unit Mass. Energie cinétique déposée
dans la matière par une particule.
SEE :
« Single Event Effect ». Effet « Evénement singulier », dû au passage
d’une particule sur un transistor, et provoquant son changement d’état
logique. Le plus commun est le SEU.
SEU :
« Single Event Upset ». Inversion de l’état logique d’un transistor (0→1
ou 1→0)
SOI :
Silicon On Insulator. Amélioration de la technologie BULK des
transistors MOS par l’ajout d’une couche isolante entre le substrat et
les zones dopées du drain et de la source.
SRIM :
Simulateur d’interaction rayonnement matière.
TID :
« Total Ionizing Dose ». Dose totale d’irradiation accumulée dans une
cible (FPGA par ex.), mesurée en Gray (1Gy=1Joule/kg) ou en rad
(1rad=0,01Gy).
142
143
144
FPGA 4
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity FPGA is
generic(
reg_length1
reg_length2
reg_length3
io_width1
io_width2
io_width3
);
port (
clk
reset
: integer:=32;
: integer:=128;
: integer:=892;
: integer:=7;
: integer:=7;
: integer:=1
: in std_logic;
: in std_logic;
inputs1
inputs2
inputs3
outputs1
outputs2
outputs3
: in std_logic_vector(io_width1-1 downto 0);
: in std_logic_vector(io_width2-1 downto 0);
: in std_logic_vector(io_width3-1 downto 0);
: out std_logic_vector(io_width1-1 downto 0);
: out std_logic_vector(io_width2-1 downto 0);
: out std_logic_vector(io_width3-1 downto 0)
);
end FPGA;
architecture archi of FPGA is
component shift_register
generic(
reg_length:integer:=8
);
port (
clk : in std_logic;
reset : in std_logic;
input : in std_logic;
output: out std_logic
);
end component;
begin
--process (CLK)
-- begin
-- if clk'event and clk='1' then
-- inputs1_int <= inputs1;
145
-- end if;
--end process
width1:for j in 0 to io_width1-1 generate
reg: shift_register
generic map(
reg_length => reg_length1
)
port map(
clk
=> clk,
reset
=> reset,
input
=> inputs1(j),
output
=> outputs1(j)
);
end generate;
width2:for j in 0 to io_width2-1 generate
reg: shift_register
generic map(
reg_length => reg_length2
)
port map(
clk
=> clk,
reset
=> reset,
input
=> inputs2(j),
output
=> outputs2(j)
);
end generate;
width3:for j in 0 to io_width3-1 generate
reg: shift_register
generic map(
reg_length => reg_length3
)
port map(
clk
=> clk,
reset
=> reset,
input
=> inputs3(j),
output
=> outputs3(j)
);
end generate;
end archi;
Registre à décalage
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
146
entity shift_register is
generic(
reg_length:integer:=16
);
port (
clk : in std_logic;
reset : in std_logic;
input : in std_logic;
output: out std_logic
);
end shift_register;
architecture archi of shift_register is
signal x : std_logic_vector(reg_length downto 0);
begin
x(0)
<= '0' when reset='1'
else input;
shift_reg: for i in 0 to reg_length-1 generate
process (clk,reset)
begin
if reset='1'
then x(i+1)<='0';
elsif clk'event and clk='1'
then x(i+1)<=x(i);
end if;
end process;
end generate;
output <='0' when reset='1' else x(reg_length);
end archi;
147
148
FPGA 8
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
library Synplify;
use synplify.attributes.all;
entity FPGA8_2 is
generic(
reg_length
io_width
);
port (
clk
reset
inputs
outputs
position
-- Ecriture
OBF_AA
OBF_AB
OBF_BA
ACK
-- Lecture
STB
IBF_CA
IBF_CB
);
end FPGA8_2;
: integer:=127;
: integer:=15
: in std_logic;
: in std_logic;
: in std_logic_vector(io_width-1 downto 0);
: out std_logic_vector(io_width-1 downto 0);
: in std_logic_vector (6 downto 0);
: in std_logic; -- Actif sur fronts descendants
: in std_logic; -: in std_logic; -: out std_logic:='1';-: out std_logic:='1';-: in std_logic; -: in std_logic --
architecture archi of FPGA8_2 is
attribute syn_radhardlevel of archi: architecture is "none";
component sr_mux8
generic(
reg_length:integer:=8
);
port (
clk_SR_MUX
: in std_logic;
reset_SR_MUX
: in std_logic;
write_SR_MUX
: in std_logic;
read_SR_MUX
: in std_logic;
input_SR_MUX
: in std_logic;
output_SR_MUX : out std_logic
);
end component;
component compteur is
149
port (
clk
: in std_logic;
reset : in std_logic;
counter
: inout std_logic_vector(6 downto 0):="0000000"
);
end component;
type Tstate is (Sinit, Sw1, Sw2, Sw3, Sr1, Sr2, Sr3, Sr4, Sr5);
signal state
: Tstate:=Sinit;
signal write
: std_logic:='0';
signal read
: std_logic:='0';
signal count : std_logic_vector(6 downto 0):="0000000";
signal tempo : std_logic_vector(6 downto 0):="0000000";
signal S_ACK : std_logic:='1';
signal S_STB : std_logic:='1';
begin
width:for j in 0 to io_width-1 generate
reg: sr_mux8
generic map(
reg_length => reg_length
)
port map(
clk_SR_MUX
=> clk,
reset_SR_MUX
=> reset,
input_SR_MUX
=> inputs(j),
output_SR_MUX => outputs(j),
write_SR_MUX
=> write,
read_SR_MUX
=> read
);
end generate;
Compt: compteur
port map(
clk
=> clk,
reset => reset,
counter
=> count
);
P: process (clk, reset) is
begin
if reset = '1'
then
S_ACK
<= '1';
S_STB
<= '1';
write <= '0';
read <= '0';
tempo <= "0000000";
-outputs
<= (others=>'0');
150
state <= Sinit;
elsif rising_edge(clk) then
case state is
when Sinit =>
if (OBF_BA='0') and (count=position) then
if (OBF_AA='0') and (OBF_AB='0')
then write <= '1';
state <= Sw1;
else read <= '1';
state <= Sr1;
end if;
else state <= Sinit;
end if;
when Sw1 =>
write <= '0';
tempo <= count;
state <= Sw2;
when Sw2 =>
if (tempo=count) then
S_ACK
<= not S_ACK;
state <= Sw3;
else state <= Sw2;
end if;
when Sw3 =>
if (OBF_AA='1') and (OBF_AB='1') and (OBF_BA='1')
then S_ACK
<= '1';
state <= Sinit;
else tempo <= count;
state <= Sw2;
end if;
when Sr1
=>
read <= '0';
tempo <= count;
state <= Sr2;
when Sr2
=>
if (tempo=count) then
S_ACK
<= not S_ACK;
state <= Sr3;
else state <= Sr2;
end if;
when Sr3
=>
if (OBF_BA='1')
then S_ACK
<= '1';
tempo <= count;
state <= Sr4;
else tempo <= count;
state <= Sr2;
end if;
when Sr4
=>
if (tempo=count) then
S_STB
<= not S_STB;
state <= Sr5;
else state <= Sr4;
151
end if;
when Sr5
=>
if (IBF_CA='1') and (IBF_CB='1')
then S_STB
<= '1';
state <= Sinit;
else tempo <= count;
state <= Sr4;
end if;
when others =>
S_ACK
<= '1';
S_STB
<= '1';
write <= '0';
read <= '0';
state <= Sinit;
end case;
end if;
end process;
ACK
STB
<= S_ACK;
<= S_STB;
end archi;
Registre à décalage avec multiplexeur
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
library Synplify;
use synplify.attributes.all;
entity sr_mux8 is
generic(
reg_length:integer:=16
);
port (
clk_SR_MUX
: in std_logic;
reset_SR_MUX
: in std_logic;
write_SR_MUX
: in std_logic;
read_SR_MUX
: in std_logic;
input_SR_MUX
: in std_logic;
output_SR_MUX : out std_logic
);
end sr_mux8;
architecture archi of sr_mux8 is
attribute syn_radhardlevel of archi: architecture is "none";
component SR8 is
generic(
152
reg_length:integer:=16
);
port (
clk
reset
input
output
: in std_logic;
: in std_logic;
: in std_logic;
: out std_logic
);
end component;
component mux8 is
port(
reset_mux
clk_mux
a,b,sel
out_mux
);
end component;
: in std_logic;
: in std_logic;
: in std_logic;
: out std_logic
signal mux2reg : std_logic;
signal reg2mux : std_logic;
signal mux2out : std_logic;
begin
Mux_W: mux8
port map(
reset_mux
clk_mux
a
b
sel
out_mux
=> reset_SR_MUX,
=> clk_SR_MUX,
=> reg2mux,
=> input_SR_MUX,
=> write_SR_MUX,
=> mux2reg
reg_length
=> reg_length
);
Shifter:SR8
generic map(
)
port map(
clk
=> clk_SR_MUX,
reset => reset_SR_MUX,
input => mux2reg,
output => reg2mux
);
Mux_R: mux8
port map(
reset_mux
clk_mux
=> reset_SR_MUX,
=> clk_SR_MUX,
153
a
b
sel
out_mux
=> mux2out,
=> reg2mux,
=> read_SR_MUX,
=> mux2out
);
output_SR_MUX
<= mux2out;
end archi;
Registre à décalage
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
library Synplify;
use synplify.attributes.all;
entity SR8 is
generic(
reg_length:integer:=16
);
port (
clk : in std_logic;
reset : in std_logic;
input : in std_logic;
output: out std_logic
);
end SR8;
architecture archi of SR8 is
attribute syn_radhardlevel of archi: architecture is "none";
signal x : std_logic_vector(reg_length downto 0);
begin
x(0)
<= '0' when reset='1'
else input;
shift_reg: for i in reg_length-1 downto 0 generate
process (clk,reset)
begin
if reset='1'
then x(i+1)<='0';
elsif rising_edge(clk)
then x(i+1)<=x(i);
end if;
end process;
end generate;
154
output <='0' when reset='1' else x(reg_length);
end archi;
Multiplexeur
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
library Synplify;
use synplify.attributes.all;
entity mux8 is
port(
reset_mux
clk_mux
a,b,sel
out_mux
);
end mux8;
: in std_logic;
: in std_logic;
: in std_logic;
: out std_logic
architecture archi of mux8 is
attribute syn_radhardlevel of archi: architecture is "none";
begin
Pmux: process (reset_mux,clk_mux) is
begin
if reset_mux='1' then out_mux<='0';
elsif rising_edge(clk_mux) then
if sel = '1'
then out_mux <= b ;
else out_mux <= a ;
end if;
end if;
end process;
end archi;
Compteur
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
library Synplify;
use synplify.attributes.all;
entity compteur is
port (
clk
: in std_logic;
reset : in std_logic;
155
counter
);
end compteur;
: inout std_logic_vector(6 downto 0):="0000000"
architecture archi of compteur is
attribute syn_radhardlevel of archi: architecture is "tmr";
begin
PCounter: process (clk, reset) is
begin
if reset='1' then
counter
<= "0000000";
elsif rising_edge(clk)
then
counter <= (counter+"1");
end if;
end process;
end archi;
156
157
158
Résultat du test de FPGA 8 au point 1
159
Résultat du test de FPGA 8 au point 2
160
Résultat du test de FPGA 8 au point 3
161
Résultat du test de FPGA 8 au point 4
162
Résultat du test de FPGA 8 au point 5
163
Résultat du test de FPGA 8 au point 6
164
Résultat du test de FPGA 8 au point 7
165
Résultat du test de FPGA 8 au point 8
166
167
168
Stéphane GABOURIN
AT-ACR-IN
Tél : 75478
stephane_gabourin@yahoo.fr
le 31 Octobre 2007
SOMMAIRE
Sommaire...................................................................................................................... 2
Introduction.................................................................................................................. 4
Installation ................................................................................................................... 8
Description des vi ......................................................................................................... 9
Catégorie 1 : Gestion des objets « Workbook » (WB) ...................................................9
Create-Open .............................................................................................................................. 9
Save........................................................................................................................................... 9
Close WB ................................................................................................................................ 10
Close Excel ............................................................................................................................. 10
Catégorie 2 : Gestion des objets « Sheet » (SH=WS+CH) ...........................................11
SH Add.................................................................................................................................... 11
SH Get..................................................................................................................................... 11
SH Rename ............................................................................................................................. 12
SH Cop-Mov ........................................................................................................................... 13
SH Delete ................................................................................................................................ 13
SH Get All............................................................................................................................... 14
Catégorie 3 : Fonctions internes aux WS .....................................................................15
a. Manipulation des données (écriture et lecture) ........................................................................ 15
WS Read Cell.......................................................................................................................... 15
WS Read 1D Array ................................................................................................................. 16
WS Read 2D Array ................................................................................................................. 16
WS Write Cell......................................................................................................................... 17
WS Write 1D Array ................................................................................................................ 17
WS Write 2D Array ................................................................................................................ 17
b. Gestion de la mise en forme..................................................................................................... 18
WS Formatting........................................................................................................................ 18
WS Draw Borders ................................................................................................................... 19
WS Fill .................................................................................................................................... 19
WS Font Arial ......................................................................................................................... 19
WS Alignment......................................................................................................................... 20
WS Merge ............................................................................................................................... 20
WS Size Cells.......................................................................................................................... 21
WS Freeze ............................................................................................................................... 21
c. Création d’un CH ..................................................................................................................... 21
WS New Chart ........................................................................................................................ 21
Catégorie 4 : Fonctions internes aux CH .....................................................................21
a. Chart Wizard............................................................................................................................ 21
CH Datas................................................................................................................................. 22
CH Options ............................................................................................................................. 23
b. Modification des propriétés du CH.......................................................................................... 23
CH Pattern............................................................................................................................... 23
CH Text................................................................................................................................... 26
CH Scale ................................................................................................................................. 27
Catégorie 5 : Gestion des macros .................................................................................28
Import macro........................................................................................................................... 28
Run macro............................................................................................................................... 28
2
Catégorie 6 : Manipulation des « Ranges »..................................................................29
CellToRange ........................................................................................................................... 29
1DArrayToRange.................................................................................................................... 29
2DArrayToRange.................................................................................................................... 29
RangesToArea......................................................................................................................... 30
ConcatRanges.......................................................................................................................... 30
Catégorie 7 : Outils divers ............................................................................................31
Count Elements ....................................................................................................................... 31
Exemples..................................................................................................................... 32
1 Manip de SH ..............................................................................................................32
2 Manip de données ......................................................................................................32
3 Mise en forme et utilisation de Tab Ranges ..............................................................33
4 Les Macros .................................................................................................................33
Codes d’erreurs et d’avertissements .......................................................................... 35
Erreurs ..........................................................................................................................35
Avertissements ..............................................................................................................35
3
INTRODUCTION
Cette librairie de vi, développée sous LabVIEW 7.1, constitue une interface
entre LabVIEW et Excel, aussi bien en lecture qu’en écriture.
Avant tout, il faut savoir qu’un « Workbook » (WB) est un classeur contenant
des « Sheet » (SH). Les SH gérés par mes vi sont les « Worksheet » (WS) et les
« Chart » (CH). Ces vi peuvent se classer en 7 catégories :
1. Gestion des WB,
2. Gestion des SH (WS et CH),
3. Fonctions s’appliquant dans les WS,
a. Lecture / Ecriture de données,
b. Mise en forme,
c. Création d’un CH,
4. Fonctions s’appliquant dans les CH,
a. Chart Wizard
b. Modification des propriétés du CH
5. Gestion des macros (dans les WB),
6. Manipulation des Ranges (références de tableaux 2D),
7. Sous menu pour les outils divers.
4
La démarche classique de construction d’un vi consiste à ouvrir l’application
Excel avec un WB. C’est ce que réalise le 1er vi de la catégorie 1, Creat-Open
. Il est aussi possible d’enregistrer un fichier (
(
) ou Excel (
) et de fermer un WB
).
Disposant d’un WB, on peut manipuler ses SH (WS ou CH) en utilisant les vi
de la catégorie 2. Les vi Add (
) et Get (
) utilisent le WB en entrée et
renvoient un SH en sortie. Les 3 suivants (
) sont polymorphes ; ils
acceptent soit un WB avec l’index ou le nom du SH à traiter, soit directement la
référence de ce SH (qui peut être renvoyée par Add ou Get).
Le vi GetAll (
tous les CH
) permet d’obtenir en un coup tous les SH, tous les WS ou
La catégorie 3 permet de réaliser d’une part les opérations de lecture/écriture
de données (
), et d’autre part la mise en forme de
ces données (
et
) dans un WS. Un vi
permet aussi d’ajouter un nouveau CH en tant qu’objet à l’intérieur du WS (
).
Pour des raisons d’allègement et de minimisation des erreurs, les vi de la
catégorie 3 ne sont plus polymorphes (comme dans la version1.0).
Les vi de lecture/écriture n’acceptent plus que les WS en entrée. Il est
désormais nécessaire d’utiliser auparavant Get pour disposer du WS.
Les vi de mise en forme n’acceptent plus que les Ranges en entrée. Les
« Tab Ranges » de la version 1.0 n’existent plus depuis que le vi Concat Ranges
existe (
). Pour obtenir un Range, on peut soit utiliser les 3 1ers vi de la
catégorie 6 (
(
), soit les récupérer en sortie des 3 vi d’écriture
).
), j’ai choisi de définir la
A propos du vi d’ajout d’un CH dans un WS (
position du CH en cellules Excel, et non en pixels (je trouve que c’est plus facile
à imaginer).
La catégorie 4 est la vraie grande nouveauté de la version 2.0. Elle permet de
tracer tout type de graphes et de le mettre en forme. Ces vi s’appliquent aussi
bien à un SH de type CH qu’à un objet CH inclus dans un WS.
5
Bien qu’il n’y ait que 5 vi, ils sont divisés en 2 groupes. J’ai fait en sorte que la
logique de ces vi suive celle d’Excel, tout en évitant d’avoir des dizaines de vi. Il
y a 2 manières de traiter un graphe. Soit on passe par l’assistant graphique, soit
on modifie les propriétés des objets du graphe une fois que celui-ci est créé.
Souvent, on fait même les 2 successivement.
Les 2 premiers vi remplacent l’assistant graphique. CH Datas (
)
correspond aux étapes 1 et 2 (choix du graphe et des données), et CH Options
(
) correspond à l’étape 3. L’étape 4, dans laquelle on choisit l’emplacement
(location) a déjà été réalisée lors de la création du CH.
Les 3 autres vi permettent de retoucher les propriétés des objets internes aux
CH (Zone de graphique ou Chart Area, zone de traçage ou Plot Area, Série ou
Serie, Axe ou Axis, Quadrillage ou Gridline, Titres ou Titles et Légende ou
Legend). Le tableau suivant rend compte des propriétés associées aux objets.
En partant de ce tableau, on peut retrouver la logique avec laquelle j’ai
structuré les 3 vi :
-
) : il s’agit de la 1ère ligne du tableau. Ce vi est
CH Pattern (
polymorphe et possède 6 sous menus P1 à P6. P6 est lui-même divisé
en 2 sous menus. Le 1er gère les graphes de courbes, le 2ème les
graphes avec des aires.
-
) : Il regroupe les lignes 2 et 3 du tableau. Il est aussi
CH Text (
polymorphe et se compose de 4 sous menus T1 à T4.
-
CH Scale (
) : Ce vi est commun aux axes et quadrillages et n’est
pas polymorphe.
L’emplacement de la légende est déterminé dans CH Options et n’apparaît
donc pas dans ces 3 vi.
La catégorie 5 permet d’importer et d’exécuter une macro Visual Basic dans
Excel (
).
Les vi de la catégorie 6 sont utilisés pour la mise en forme des données d’un
WS. Ils permettent de convertir des coordonnées (de cellules, tableaux 1D et 2D,
6
) en Ranges ou inversement (RangeToArea,
). Pour appliquer
une mise en forme sur de multiples Ranges, il est possible de les regrouper dans
un seul Range avec ConcatRanges (
).
La catégorie 7 regroupe les différents outils qui peuvent s’avérer utiles. Pour
l’instant, il n’y en a qu’un, qui permet de compter, en partant d’une cellule de
référence, le nombre de cellules non vides verticalement ou horizontalement
(
).
Quelques exemples de vi sont fournis dans le répertoire « Exemples ».
Ce document décrit rapidement la procédure d’installation de la palette Excel
avant de détailler le rôle de chaque vi. Le paragraphe suivant donne un aperçu
des programmes d’exemples. Le dernier paragraphe donne mes erreurs et
avertissements qui peuvent être renvoyés (codes positifs pour mes erreurs).
7
INSTALLATION
Décompresser le fichier zip puis, à partir de LabVIEW, ajouter le dossier
« Palette » à la palette de fonctions. Ayant LabVIEW en anglais, les menus que
je donne sont à retrouver pour ceux qui l’utilisent en français…
LabVIEW 7 :
Allez dans le menu « Tools », « Advanced », « Edit Palette Views… ».
Allez dans la sous palette Users Libraries de la palette de fonctions. Clic droit
sur la palette et « Insert », « Submenu… ».
Choisissez « Link to an existing menu file (.mnu) » et allez chercher le fichier
dir.mnu présent dans le sous répertoire « Palette » du répertoire décompressé.
Cliquez sur « Save Changes ». La palette est insérée dès votre retour sous
LabVIEW.
LabVIEW 8 :
Allez dans le menu « Tools », « Advanced », « Edit Palette Set… ».
Allez dans la sous palette (de la palette de fonctions) où vous souhaitez
insérer la palette Excel. Clic droit sur la palette et « Insert », « Subpalette… ».
Choisissez « Link to an existing palette file (.mnu) » et allez chercher le fichier
dir.mnu présent dans le sous répertoire « Palette » du répertoire décompressé.
Cliquez sur « Save Changes ». La palette est insérée dès votre retour sous
LabVIEW.
8
DESCRIPTION DES VI
Catégorie 1 : Gestion des objets « Workbook » (WB)
Create-Open
Ouvre un fichier Excel (s’il existe) ou crée un nouveau fichier (s’il n'existe
pas).
Le paramètre « Action » donne la possibilité de forcer la création du fichier
(un numéro est ajouté s'il existe déjà), ou de forcer l'ouverture (renvoie une
erreur s'il n’existe pas).
Si le fichier est créé, il est possible de lui donner un template (modèle). Si
aucun template n’est spécifié, ou s’il n’existe pas, un WB contenant 3 WS est
créé.
Si « Visible » est mis à « True », Excel s’ouvre normalement. S’il est mis à
« False », l’application est ouverte en arrière-plan. Dans ce dernier cas, il est
nécessaire de la fermer avec le vi « Close Excel».
La référence du WB correspondant au fichier est renvoyée en sortie, ainsi
que celle de l’application (utilisable par « Close Excel »)
Save
9
Enregistre un WB. Si le nom de fichier n'est pas spécifié, il enregistre dans le
WB en cours.
VI polymorphe qui accepte en entrée:
- la référence du WB à enregistrer ou
- la référence d'un de ses SH (WS ou CH)
Close WB
Ferme un WB.
VI polymorphe qui accepte en entrée:
- la référence du WB à fermer ou
- la référence d'un de ses SH (WS ou CH)
Close Excel
10
Ferme une application Excel.
VI polymorphe qui accepte en entrée:
- la référence de l'application (donnée par le VI « Create-Open ») ou
- la référence d'un de ses WB ou
- la référence d'un de ses SH (WS ou CH)
Catégorie 2 : Gestion des objets « Sheet » (SH=WS+CH)
SH Add
Ajoute un SH dans un WB. On peut spécifier le type du SH, le nom du SH et
l'index de l'insertion (démarre à 1).
Le type est WS par défaut.
Si le nom n'est pas câblé, "No name" est utilisé.
Si le nom existe déjà, un numéro est ajouté.
Si l’index n'est pas câblé, l'insertion se fait au début (1 par défaut).
Si l’index est trop grand, l'insertion se fait à la fin.
Le nom réellement donné et l’index auquel le SH est inséré sont renvoyés
en sortie. Si l’index est négatif ou nul, « Name out » est vide et « Index out »
= -1.
Si le « Type » choisi est « Worksheet », la référence du WS créé ressort
par le paramètre « Excel._Worksheet out ». Si le « Type » est « Chart », la
référence du CH créé ressort par le paramètre « Excel._Chart out ».
SH Get
11
Renvoie, s'il existe, les caractéristiques d'un SH.
VI polymorphe qui accepte en entrée:
- l'index du SH recherché: son nom est renvoyé (chaine vide si le SH
n’existe pas)
- le nom du SH recherché: son index est renvoyé (=-1 si le SH n’existe pas)
« Type out » permet de savoir si le sheet est un WS ou un CH. Il est
nécessaire de sélectionner la référence (« Excel._Worksheet » ou
« Excel._Chart ») qui correspond à « Type out ».
SH Rename
Renomme un SH.
Si le nom est vide, rien n’est changé. Si un autre SH a déjà ce nom, un
numéro est ajouté.
VI polymorphe qui accepte en entrée:
- la référence du WB et l'index du SH
- la référence du WB et le nom du SH
- la référence du SH (WS ou CH)
12
SH Cop-Mov
Déplace ou copie un SH.
« Action » permet de choisir entre déplacer (valeur par défaut) ou copier. La
destination doit être spécifiée par le WB et l’index auquel on désire insérer.
VI polymorphe qui accepte en entrée pour la Source:
- la référence du WB et l'index du SH
- la référence du WB et le nom du SH
- la référence du SH (WS ou CH)
SH Delete
13
Supprime un SH.
VI polymorphe qui accepte en entrée:
- la référence du WB et l'index du SH
- la référence du WB et le nom du SH
- la référence du SH (WS ou CH)
SH Get All
Vi polymorphe qui permet d’obtenir les SH d’un WB en fonction de leur type.
Il y a 3 possibilités :
- On ressort tous les SH,
- On ne choisit que les WS,
- On ne choisit que les CH.
Get All SH
Renvoie les références, noms et types de tous les SH d’un WB.
« Count » : Nombre de SH dans le WB
« Ref » : tableau contenant les références des SH. Les types des références
étant différents (pour WS et CH), il est nécessaire de les renvoyer en variant. Le
vi « Variant to Data » (
) permet de récupérer les références.
« Names SH » : tableau des noms de tous les SH du WB.
« Types » : tableau des types (WS ou CH) de tous les SH. Ce paramètre
permet de savoir quel type de référence utiliser pour récupérer les références
contenues dans « Ref ».
14
Get All WS
Renvoie les références, noms et index de tous les WS d’un WB.
« Count » : Nombre de WS dans le WB
« WS Ref » : tableau des références des WS du WB.
« Names WS » : tableau des noms de tous les WS du WB.
« Index WS » : tableau des index des WS dans le WB
Get All CH
Renvoie les références, noms et index de tous les CH d’un WB.
« Count » : Nombre de CH dans le WB
« CH Ref » : tableau des références des CH du WB.
« Names CH » : tableau des noms de tous les CH du WB.
« Index CH » : tableau des index des CH dans le WB
Catégorie 3 : Fonctions internes aux WS
a. Manipulation des données (écriture et lecture)
WS Read Cell
15
Lit une cellule et la renvoie en type string.
« Cell Coord » donne les coordonnées de la case où lire. Le premier nombre
correspond à la ligne et le deuxième à la colonne. Ces index démarrent à 1. Par
exemple, la case C5 est donnée par les coordonnées (5,3).
La valeur de sortie est un string qu’il est possible de convertir (entier,…).
WS Read 1D Array
Lit un tableau 1D et le renvoie en type string.
« 1D Area » donne la position et la taille du tableau à lire. Les 3 nombres à
fournir sont :
- la ligne (1 par défaut),
- la colonne (1 par défaut),
- le nombre d’éléments (2 par défaut).
Le booléen « Vertical » permet de choisir l’orientation du tableau (verticale
par défaut)
Le tableau de sortie est un string qu’il est possible de convertir (entier,…).
WS Read 2D Array
Lit un tableau 2D et le renvoie en type string.
« 2D Area » donne la position et la taille du tableau à lire. Les 4 nombres à
fournir sont :
- la ligne (1 par défaut),
- la colonne (1 par défaut),
- le nombre de lignes (2 par défaut)
- le nombre de colonnes (2 par défaut)
Le booléen « Transpose » permet de choisir l’orientation du tableau (comme
dans Excel par défaut)
16
Le tableau de sortie est un string qu’il est possible de convertir (entier,…).
WS Write Cell
Ecrit dans une cellule.
« Cell Coord » donne les coordonnées de la case où écrire. Le premier
nombre correspond à la ligne et le deuxième à la colonne. Ces index démarrent
à 1. Par exemple, la case B4 est donnée par les coordonnées (4,2).
La valeur à écrire est prise en tant que variant pour accepter différents types.
Sous Excel, la valeur prend le type « General ».
Renvoie la référence du WS dans lequel la cellule est écrite ainsi que la
référence du range de la cellule (pour les VI de mise en forme).
WS Write 1D Array
Ecrit un tableau 1D.
« Init Coord » correspond aux coordonnées de la première case du tableau.
Le premier nombre correspond à la ligne et le deuxième à la colonne. Ces index
démarrent à 1. Par exemple, la case B4 est donnée par les coordonnées (4,2).
Le tableau à écrire est pris en tant que variant pour accepter différents types.
« Vertical » permet de choisir l’orientation du tableau (verticale par défaut)
Renvoie la référence du range du tableau 1D (pour les VI de mise en forme).
WS Write 2D Array
17
Ecrit un tableau 2D.
« Init Coord » correspond aux coordonnées de la première case du tableau.
Le premier nombre correspond à la ligne et le deuxième à la colonne. Ces index
démarrent à 1. Par exemple, la case D1 est donnée par les coordonnées (1,4).
Le tableau à écrire est pris en tant que variant pour accepter différents types.
« Transpose » permet de choisir l’orientation du tableau (comme dans Excel
par défaut)
Renvoie la référence du range du tableau 2D (pour les VI de mise en forme).
b. Gestion de la mise en forme
Quand on parle de « Range », il s’agit de la référence à un ensemble de
cellules dans un WS. Les « Range » s’obtiennent en utilisant les vi de la
catégorie 6, ou par les vi d’écriture dans un WS (catégorie 3a).
Tous les vi de mise en forme (formatting) demandent un « Range » en
entrée.
WS Formatting
Mise en forme d'une zone (range) d'un WS.
Il est possible de modifier la mise en forme dite Artistique :
- le tracé des bordures
- la couleur de remplissage
- le style de texte (en Arial)
Et la mise en forme dite Géométrique :
- l'alignement des contenus de cellules
- la possibilité de faire un merge
- la taille des cellules
Le vi de mise en forme contient les 6 vi de la ligne de dessous qui peuvent
être utilisés indépendamment :
18
WS Draw Borders
Dessine les bordures d'une zone (range) d'un WS.
« Borders » est un tableau dont chaque élément représente une bordure à
tracer (cadre par défaut), le style de trait (ligne normale par défaut) et la couleur
(noir par défaut).
WS Fill
Colorie les cellules d'une zone (range) d'un WS.
Le jaune est la couleur par défaut.
WS Font Arial
Définit le style de police d'une zone (range) d'un WS.
La police reste Arial. « Params » permet de choisir la taille et la couleur des
caractères, et le style à appliquer (gras, italique, souligné ou ombré).
19
WS Alignment
Aligne le contenu des cellules d'une zone (range) d'un WS.
« Params » permet de fixer les alignements vertical et horizontal, d’autoriser
le retour à la ligne (Wrap) ou de faie rentrer le texte en largeur (Shrink) dans une
cellule. Si Wrap est coché, Shrink n’a pas d’effet.
WS Merge
Fusionne ou dé-fusionne les cellules d'une zone (range) d'un WS.
« Merge » est à vrai (True) pour fusionner et à faux (False) pour dé-fusionner.
« By Row » permet de fusionner les cellules ligne par ligne. Lors d’une « défusion », ce booléen n’a pas d’importance.
20
WS Size Cells
Définit la taille des cellules d'une zone (range) d'un WS.
« Sizes » est un cluster contenant la hauteur des lignes (12.75 par défaut) et
la largeur des colonnes (8.43 par défaut).
WS Freeze
Fige (Freeze) ou libère les volets au dessus et à gauche de la cellule
spécifiée par « Cell ».
c. Création d’un CH
WS New Chart
Crée un nouvel objet CH à l’intérieur d’un WS.
« Position (2D Area) » correspond à la surface que recouvre le CH. L’unité de
mesure est la cellule. Il faut donner la ligne et la colonne de départ, puis le
nombre de lignes et le nombre de colonnes.
La référence du CH est renvoyée en sortie.
Catégorie 4 : Fonctions internes aux CH
a. Chart Wizard
21
CH Datas
Définit le type de CH et les données des traçés.
vi polymorphe qui permet de choisir entre 12 types de graphes :
Parmi ces types, il existe encore des « sous types » qui peuvent être choisi
par le paramètre « ChartType ».
« Source Data » : 3 cas se présentent :
-
Une seule série peut être traçée. Dans ce cas, « Source Data » est un
cluster de 2 ranges. Le 1er correspond aux valeurs de l’axe de catégorie
(axe X, abscisse), le 2ème aux valeurs de l’axe des valeurs (axe Y,
ordonnée).
C’est le cas du vi
-
Plusieurs séries peuvent être traçées mais avec les mêmes valeurs pour
la catégorie. « Source Data » est alors un cluster avec un range pour les
valeurs de l’axe de catégorie et un tableau de ranges pour les valeurs de
l’axe des valeurs.
Les vi qui correspondent à ce type sont :
22
-
Plusieurs séries avec différentes abscisses peuvent être traçées.
« Source Data » change de nom et devient « Series », un tableau dont
chaque élément est un « Source Data » du premier cas.
C’est le cas du vi
Le paramètre « Serie Names » est un tableau regroupant les noms associés
aux séries.
CH Options
Ce vi est la suite du vi CH Datas pour finir de choisir les options du Chart
Wizard d’Excel. Il permet de définir
- « Titles » : les titres du graphe et des axes (aucun titre par défaut),
- « Axes » : la présence des axes (présence des 2 par défaut),
- « Gridlines » : la présence des grilles (présence de la grille majeure de Y
par défaut),
- « Legend » : la présence de la légende et sa position (présente et à droite
par défaut).
b. Modification des propriétés du CH
CH Pattern
Modifie les motifs des différents objets composant un graphe. Il existe 7
fonctions (P1 à P6b) qui composent la 1ère ligne du tableau suivant :
23
Pattern Chart Area
Définit le motif de la zone de graphique.
Il est possible de spécifier la couleur de remlissage « Fill Color » (blanc par
défaut), le style de ligne de la bordure « Chart Border », et l’effet d’ombre avec
« Shadow ».
Pattern Plot Area
Définit le motif de la zone de traçage.
Il est possible de spécifier la couleur de remlissage « Fill Color » (jaune par
défaut) et le style de ligne de la bordure « PlotArea Border ».
Pattern Legend
Définit le motif de la légende.
Il est possible de spécifier la couleur de remlissage « Fill Color » (blanc par
défaut), le style de ligne de la bordure « Legend Border », et l’effet d’ombre avec
« Shadow ».
Pattern Titles
24
Définit le motif de l’arrière plan des titres.
Il est possible de spécifier la couleur de remlissage « Fill Color » (blanc par
défaut), le style de ligne de la bordure « Title Border », et l’effet d’ombre avec
« Shadow ».
Le paramètre « Which » permet de sélectionner les titres modifiés, parmi
celui du CH, celui de l’axe X et/ou celui de l’axe Y (titre du CH par défaut).
Pattern Axes and gridlines
Définit le motif des axes et du quadrillage.
Il est possible de spécifier le style de ligne des axes avec « Axe Lines » et
celui du quadrillage avec « Grid Lines ».
Les axes et/ou quadrillages modifiés sont sélectionnés par les paramètres
« Which axes » (les 2 par défaut) et « Which Gridlines » (Y majeur par défaut).
Pattern Series Lines
Définit le motif des Séries de type « courbes ».
« Serie Number » pemet de choisir la série à modifier. 1 par défaut.
« Serie Lines » change le style de trait de la courbe.
« Markers » change le style des marques.
Pattern Series Areas
25
Définit le motif des Séries de type « Aires ».
« Serie Number » pemet de choisir la série à modifier. 1 par défaut.
« Serie Lines » change le style de trait de la courbe.
« Area » change la couleur de l’aire de la série.
CH Text
Modifie la police des différents objets composant un graphe. Il existe 4
fonctions (T1 à T4) dans les lignes 2 et 3 du tableau suivant :
Il est possible de modifier la taille, la couleur, le style (gras, italique, souligné,
ombré) ainsi que la mise à l’échelle automatique de la police. Les valeurs par
défaut sont les suivantes :
Text Chart
Modifie la police de tous les objets du CH (Légende, titres et axes)
Text Legend
Modifie la police de la légende.
26
Text Titles
Modifie la police des titres avec « Font Title ».
Il est aussi possible de modifier l’alignement et l’orientation angulaire du texte
avec « Alignment Title ».
Le paramètre « Which » permet de sélectionner les titres modifiés, parmi
celui du CH, celui de l’axe X et/ou celui de l’axe Y (titre du CH par défaut).
Text Axes
Modifie la police des axes.
Il est aussi possible de modifier l’orientation angulaire du texte avec
« Orientation ».
Les axes modifiés sont sélectionnés par le paramètre « Which » (les 2 par
défaut).
CH Scale
Définit l’échelle des axes X et/ou Y (Y par défaut).
Il est possible de définir de façon automatique ou manuelle :
- le minimum,
- le maximum,
- l’unité principale,
- l’unité secondaire,
- la position d’intersection avec l’autre axe,
- le type d’échelle (linéaire ou logarithmique).
27
Catégorie 5 : Gestion des macros
Import macro
Importe une macro dans le projet attaché à un WB. Un nouveau module est
créé et son nom, suivi d’un point est renvoyé dans « Module. ». Si plusieurs
modules sont créés, il faut concaténer « Module. » au nom de la macro à l’entrée
« Macro Name » du vi « Run macro » (cf. l’Exemple 4).
VI polymorphe qui accepte en entrée:
- la référence du WB et le code de la macro
- la référence du WB et le fichier (texte) dans lequel le code de la macro est
écrit
- la référence d'un WS du WB et le code de la macro
- la référence d'un WS du WB et le fichier (texte) dans lequel le code de la
macro est écrit
Run macro
28
Exécute une macro d'un WB. Si plusieurs modules existent, il faut concaténer
la sortie « Module. » du vi « Import macro » à « Macro Name » (cf. l’Exemple 4).
VI polymorphe qui accepte en entrée:
- la référence du WB
- la référence d'un WS du WB
« Parameters » est un tableau regroupant les paramètres de la macro. S’ils
sont de types différents, il est nécessaire de changer chacun d’entre eux en
variant avant de construire le tableau.
Catégorie 6 : Manipulation des « Ranges »
CellToRange
Convertit les coordonnées d’une cellule « Cell » en « Range », utilisé dans
les vi de mise en forme.
« Cell » est un cluster de 2 nombres : la ligne et la colonne de la cellule
(départ à 1).
1DArrayToRange
Convertit les coordonnées d’un tableau 1D « Area 1D » en « Range », utilisé
dans les vi de mise en forme.
« Area 1D » est un cluster de 3 nombres : la ligne et la colonne de la cellule
de départ, puis la dimension du tableau.
Le booléen « Vertical » permet de choisir l’orientation du tableau (verticale
par défaut).
2DArrayToRange
Convertit les coordonnées d’un tableau 2D « Area 2D » en « Range », utilisé
dans les vi de mise en forme.
29
« Area 2D » est un cluster de 4 nombres : la ligne et la colonne de la cellule
de départ, puis le nombre de lignes et de colonnes du tableau.
RangesToArea
Convertit une référence « Range » en un tableau dont chaque élément
contient les caractéristiques (ligne et colonne de départ, nombre de lignes et de
colonnes) d’une zone du WS (tableau 2D).
Il est nécessaire d’avoir un tableau en sortie car un « Range » peut contenir
plusieurs tableaux 2D (grâce notamment à « ConcatRanges »).
« Range Type » informe sur le type du « Range » d’entrée : cellule simple,
tableau 1D, tableau 2D, « Multiple Cell », « Multiple 1D », « Multiple 2D ».
Dans le cas des « Multiple », le tableau « Areas Array » contient plusieurs
éléments :
- « Cell » : un seul élément qui est une cellule,
- « 1D Array V » : un élément qui est un tbleau 1D vertical,
- « 1D Array H » : un élément qui est un tbleau 1D horizontal,
- « 2D Array » : un élément qui est un tableau 2D,
- « Multiple Cell » plusieurs éléments qui sont des cellules,
- « Multiple 1D V » indique que les aires ne s’étendent que sur 1 dimension
verticale. S’il y a plusieurs tableaux 1D, ils sont tous sur une ligne,
- « Multiple 1D H » indique que les aires ne s’étendent que sur 1 dimension
horizontale. S’il y a plusieurs tableaux 1D, ils sont tous sur une colonne,
- « Multiple 2D » indique qu’il y a au moins une aire qui s’étend
horizontalement et une aire (la même si tab 2D) qui s’étend verticalement.
Les multiples sont utilisés pour savoir ce qu’il est permis de tracer en interne
du vi des bordures (Draw Borders).
ConcatRanges
Concatène des « Range » dans un seul « Range ». Utile pour appliquer une
mise en forme sur plusieurs « Range » en un seul appel de vi.
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Catégorie 7 : Outils divers
Count Elements
Compte, en partant d’une cellule de référence (« From Cell »), le nombre
d’éléments non vides « Count » :
- en dessous de cette cellule si « Direction » est spécifié à « Vertical » (par
défaut),
- à droite de cette cellule si « Direction » est spécifié à « Horizontal ».
31
EXEMPLES
1 Manip de SH
Cet exemple décrit l’utilisation des vi de la 1ère et 2ème catégorie, tout ce qui
concerne la manipulation des WS et des CH. Le fichier Ex1.xls est créé. La
tempo permet de visualiser les étapes.
2 Manip de données dans un WS
Cet exemple décrit l’utilisation des vi des catégories 1, 2 et 3a, soit la lecture
et l’écriture de données dans un WS.
32
3 Mise en forme dans un WS
Cet exemple décrit l’utilisation des vi des catégories 1, 2, 3a et 3b, c’est-àdire la mise en forme en plus que dans l’exemple 2.
4 Création d’un CH
Cet exemple décrit l’utilisation des vi des 4 premières catégories : l’écriture
d’un tableau dans un WS, sa mise en forme, la création et le tracé d’un graphe
avec ces données.
33
5 Les Macros
L’exemple 4 utilise les 2 vi servant à importer et éxécuter une macro
(catégorie 5).
34
CODES D’ERREURS ET D’AVERTISSEMENTS
Erreurs
Errors
Renvoie l’erreur associée au numéro « Numero ». L’index et le nom du SH
peuvent être fournis si nécessaire. Le chemin du vi, lui est obligatoire. Les
erreurs qui peuvent être renvoyées sont les suivantes :
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Le fichier spécifié n'existe pas
L'index doit être supérieur à 0. Les index de WS démarrent à 1
Le SH n°? n'existe pas ( ?=index du SH dans le WB)
Le SH " ?" n'existe pas ( ?= nom du SH)
Le nouveau nom est vide
L'index n° ? est invalide ( ?=index du SH dans le WB)
Le nombre maximum de paramètres d'une macro est de 30
Macro non trouvée
Pas assez de paramètres
Trop de paramètres
Mauvais paramètres
Avertissements
Warnings
Renvoie l’avertissement (warning) associée au numéro « Numero ». L’index
et le nom du SH peuvent être fournis si nécessaire. Le chemin du vi, lui est
obligatoire. Les avertissements qui peuvent être renvoyées sont les suivantes :
101
102
Un numéro a été ajouté au nom
Le tableau est vide
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